JP2013522512A - Bent transducer, micro pump and micro valve manufacturing method, micro pump and micro valve - Google Patents

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Abstract

駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサの製造方法が提供され、この方法は、膜(110)および駆動手段(210)を準備するステップ(1010)、および接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜(110)に駆動手段を接合する間駆動手段に製造信号(Uproduction)を適用するステップ(1020)を含み、製造信号が屈曲トランスデューサを動作させる動作信号と同じ種類のものである。
【選択図】図1A
A method of manufacturing a flexure transducer comprising a drive means and a membrane is provided, the method comprising providing a membrane (110) and drive means (210) (1010) and prestressing the drive means after joining. , Including applying (1020) a manufacturing signal (U production ) to the driving means while joining the driving means to the membrane (110), wherein the manufacturing signal is of the same type as the operating signal for operating the bending transducer.
[Selection] Figure 1A

Description

本発明は、屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、およびこの方法によって製造される屈曲トランスデューサを含むマイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブに関する。   The present invention relates to a bending transducer, a micro pump and a method for manufacturing a micro valve, and a micro pump and a micro valve including the bending transducer manufactured by the method.

従来技術の発明によれば、多数の異なるマイクロ膜ポンプが存在し、使用される駆動概念は電磁的、熱的および圧電的な駆動原理である。しかしながら、市場において利用可能なマイクロ膜ポンプのほぼ全ては、圧電駆動原理によって駆動されている。   According to the prior art invention, there are a number of different micro-membrane pumps and the driving concept used is electromagnetic, thermal and piezoelectric driving principles. However, almost all micro membrane pumps available on the market are driven by the piezoelectric drive principle.

マイクロ・ポンプの圧縮比は、ガスが送り出される媒体であるとき、マイクロ・ポンプの泡許容度および逆圧能力を定める重要なパラメータである。流体ポンプに関して、ガスの泡がいつでもポンプチャンバに入り込む可能性があり、流体ポンプに対する逆圧能力は、実際には、(大きい動作隔膜力および低いバルブの漏れに加えて)圧縮比によっても規定される。圧縮比は、1回のブローまたはサイクルにおけるポンプ膜によって変位する容積、いわゆる行程容積と、死容積、すなわちポンプ膜がポンプチャンバに含まれる媒体をポンプチャンバ外に送り出した時に残っている最小の容積との間の比と定義される。死容積は、最大ポンプチャンバ容積と行程容積との間の容積の差ということができる。周知のマイクロ・ポンプの圧縮比は比較的小さく、0.1〜1の範囲内にある。   The compression ratio of the micro pump is an important parameter that determines the bubble tolerance and back pressure capability of the micro pump when the gas is the delivery medium. For fluid pumps, gas bubbles can enter the pump chamber at any time, and the back pressure capability for the fluid pump is actually also defined by the compression ratio (in addition to high operating diaphragm force and low valve leakage). The The compression ratio is the volume displaced by the pump membrane in a single blow or cycle, the so-called stroke volume, and the dead volume, ie the minimum volume remaining when the pump membrane pumps the medium contained in the pump chamber out of the pump chamber. Defined as the ratio between. The dead volume can be referred to as the volume difference between the maximum pump chamber volume and the stroke volume. The compression ratio of known micro pumps is relatively small and is in the range of 0.1-1.

例えば、特許出願公開EP0424087A1は、電圧信号によって第1および第2の方向に、すなわち上下方向に変形可能な圧電手段を有し、それによって、液体をマイクロ・ポンプの液体貯留室に引き込み、あるいは液体貯留室から送り出すマイクロ・ポンプを開示している。しかしながら、EP0424087A1に記載されているマイクロ・ポンプは、それらがかなり大きい死容積を含み、または上方へのストロークが小さく、小さい行程容積が得られるだけであるという点で不利である。   For example, Patent Application Publication No. EP0424087A1 has piezoelectric means that can be deformed in the first and second directions, i.e. up and down, by a voltage signal, thereby drawing liquid into the liquid reservoir of the micro pump, or liquid Disclosed is a micro pump that pumps out of a storage chamber. However, the micropumps described in EP0424087A1 are disadvantageous in that they contain a considerably large dead volume or have a small upward stroke and only a small stroke volume is obtained.

さらに、圧電的に駆動されるマイクロ・膜ポンプの圧縮比は、通常、以下の境界条件によって規定される。正電圧を圧電膜トランスデューサに印加すると、膜トランスデューサは下方に偏向することができるだけである。また、上方への偏向は、負の電圧を印加することによって可能なだけであり、圧電セラミックが消極されないように、下方へのストロークのわずか約20%が達成可能なだけである。膜の動きを下方への運動に制限すると、死容積を減らして、圧縮比を上げることは困難である。したがって、従来のマイクロ・ポンプに対して、例えば米国特許出願公開US2005/0123420A1のマイクロ膜ポンプおよび米国特許明細書US6,261,066B1の蠕動マイクロ・ポンプを見ると、圧電手段が一方向へ移動するだけであり、および/またはその輪郭を膜の曲げラインに適応させて死容積を減らし、圧縮比を最大にするようにポンプチャンバが形成されている。ポンプ膜の曲げラインへのこの適応は、生産技術に関して手間がかかって費用がかかり、さらに、例えば接着工程におけるポンプ膜の歪みなどのために、ポンプ膜は完全に対称に偏向しないため、曲げラインへの完全な適応は通常不可能であり、それにより、ポンプチャンバ内に圧縮比を減少させる隙間が残る。さらに、隔膜の端部が固定される場合、標準アクチュエータの行程容積は境界条件によって制限される。最後に、シリコンを用いて、この調整はいくつかのステップでウェーハにエッチングすることによって部分的に成し遂げられることができるだけであり、それによって高い効果が生じる。   In addition, the compression ratio of a micro-membrane pump driven piezoelectrically is usually defined by the following boundary conditions. When a positive voltage is applied to the piezoelectric membrane transducer, the membrane transducer can only deflect downward. Also, upward deflection is only possible by applying a negative voltage, and only about 20% of the downward stroke can be achieved so that the piezoelectric ceramic is not depolarized. Limiting membrane movement to downward movement makes it difficult to reduce dead volume and increase compression ratio. Thus, for example, looking at the micro-membrane pump of US 2005/0123420 A1 and the peristaltic micro-pump of US Pat. No. 6,261,066 B1 with respect to a conventional micro pump, the piezoelectric means moves in one direction. And / or the pump chamber is configured to adapt its contour to the membrane bending line to reduce dead volume and maximize compression ratio. This adaptation to the pump membrane bending line is labor intensive and costly with respect to production technology, and furthermore, the pump membrane does not deflect completely symmetrically due to, for example, distortion of the pump membrane in the bonding process, so the bending line Full adaptation to is usually not possible, thereby leaving gaps in the pump chamber that reduce the compression ratio. Furthermore, when the diaphragm ends are fixed, the stroke volume of the standard actuator is limited by boundary conditions. Finally, using silicon, this adjustment can only be accomplished in part by etching the wafer in several steps, thereby producing a high effect.

米国特許明細書US5,759,014は、ガラスベース板上に配置されるシリコン・ポンプ膜、およびポンプ膜の両側において互いに対向するように配置された入口バルブおよび出口バルブを有するマイクロ・ポンプを開示している。ポンプ膜は、休止位置において上方へ膨らんだ形状を有する。圧電素子は、膜の表面に固着される。圧電素子が駆動されると、膜は下方へ変位する。膜の膨らんだ形状は、密閉された膜の上に位置するチャンバを真空下におくことにより、または、プレストレスで適切な変形を有する酸化被膜をその上側表面に適用することによって得ることができる。ポンプチャンバと入口弁および出口弁との間に接続スペースによって生じる死容積がまだかなり高いという点で、US5,759,014によるマイクロ・ポンプは不利であり、膜の達成可能な膨らみの高さは制限され(したがって、限られた圧縮比を促進しているだけである)、膜の付着または吸着を防止するために、膜の下面上の酸化ケイ素のかなりの量の円領域を必要とする。さらに、バルブの横方向の配置は著しくポンプチャンバの流動抵抗を増加させ、それによって、行程容積は最大のポンプ速度を制限する非常に低いポンプ周波数で運搬するだけである。酸化被膜または吸引による座屈の他の不利な点は、圧電が正の電圧によって作動する場合、ダイアフラムは完全に平坦な位置へ移動することができないという事実である。このように、ダイアフラムの境界における死容積は残る。   US Patent Specification US 5,759,014 discloses a micro pump having a silicon pump membrane disposed on a glass base plate and inlet and outlet valves disposed opposite each other on both sides of the pump membrane. doing. The pump membrane has a shape that bulges upward in the rest position. The piezoelectric element is fixed to the surface of the film. When the piezoelectric element is driven, the film is displaced downward. The swollen shape of the membrane can be obtained by placing the chamber located above the sealed membrane under vacuum or by applying an oxide film with appropriate deformations on its upper surface under pre-stress. . The micropump according to US 5,759,014 is disadvantageous in that the dead volume caused by the connection space between the pump chamber and the inlet and outlet valves is still quite high, and the achievable bulge height of the membrane is Limited (and therefore only promoting a limited compression ratio) requires a significant amount of circular area of silicon oxide on the underside of the membrane to prevent membrane adhesion or adsorption. In addition, the lateral arrangement of the valves significantly increases the flow resistance of the pump chamber so that the stroke volume is only carried at a very low pump frequency that limits the maximum pump speed. Another disadvantage of buckling due to oxide coating or suction is the fact that when the piezoelectric is actuated by a positive voltage, the diaphragm cannot move to a completely flat position. Thus, the dead volume at the diaphragm boundary remains.

米国特許出願公開US2009/0158923A1は、2つの金属層のレーザ溶接によって実現されるポンプダイヤフラムのプレストレスを記載している。この適用は、(明らかに、溶接プロセスの熱衝撃のため)ダイアフラムおよびポンプチャンバのプレストレスが実現され得ることを示している。しかしながら、また、(US5,759,014における酸化被膜による死容積よりさらに大きい)大きい死容積が、圧電の作動の後にダイアフラムの境界に残る。   US Patent Application Publication No. US 2009/015923 A1 describes prestressing of a pump diaphragm realized by laser welding of two metal layers. This application shows that prestressing of the diaphragm and pump chamber can be realized (apparently due to the thermal shock of the welding process). However, a large dead volume (which is even greater than the dead volume due to the oxide coating in US 5,759,014) also remains at the diaphragm boundary after actuation of the piezoelectric.

事実、図8に示すように、レーザ溶接によって作動膜をポンプチャンバに接続することは膜の避けられない座屈を引き起こし、それは最小化された死容積に関して最適化されない。図8は、ポンプ本体810と、ポンプ膜の境界でレーザ溶接によってポンプ本体に接合された膜820を有するマイクロ・ポンプの2つの略図を示す。図8の上図はプレストレスが与えられた非作動状態のポンプ膜820を示し、図8の下図はポンプ膜の上に配置される圧電素子830によって下方に曲げられる同じ膜820を示す。図8の下図から分かるように、膜820は完全に平坦ではなく、膜の縁部の膨らみ840によって示される容積のため増加した死容積の原因となるポンプ膜の縁部の膨らみまたは偏向840が示される。   In fact, as shown in FIG. 8, connecting the working membrane to the pump chamber by laser welding causes inevitable buckling of the membrane, which is not optimized with respect to minimized dead volume. FIG. 8 shows two schematic diagrams of a micro pump having a pump body 810 and a membrane 820 joined to the pump body by laser welding at the pump membrane boundary. The top view of FIG. 8 shows the pump membrane 820 in a pre-stressed non-actuated state, and the bottom view of FIG. 8 shows the same membrane 820 bent downward by a piezoelectric element 830 disposed on the pump membrane. As can be seen from the bottom of FIG. 8, the membrane 820 is not perfectly flat, and there is a pump membrane edge bulge or deflection 840 that causes increased dead volume due to the volume indicated by the membrane edge bulge 840. Indicated.

米国特許出願公開2004/0036047A1および米国特許出願公開2006/0027772A1は、常閉バルブを開示している。2つのシリコンチップの積層によって形成され、下側のシリコンチップはバルブの入口および出口を含み、下側のチップの上に配置される上側のチップは、バルブチャンバの凹部、バルブリップおよび下側のチップに向かう側のタペット、および膜を規定するための下側のチップから離れて面している上側のチップの反対側の凹部を含み、タペットより上の膜に、バルブを開くために下側のチップに形成されたバルブシャッターを下方に動かすように、圧電駆動が配置される。閉鎖状態において、すなわち圧電性セラミックが作動していないとき、バルブリップは流体的にバルブ入口をバルブチャンバから切り離す。圧電セラミックが作動している場合、圧電セラミックはタペットを介して膜に接続されているバルブシャッターを下方に移動させる。この場合、バルブリップはもうタペットに当接せず、バルブは開いている。バルブの製造の後、膜が時々下方に向かって偏る傾向があることが認められている。下方に向かうこれらの偏向が大きいものである場合、バルブは常閉バルブの密度要件を満たさないかもしれず、または膜への逆方向のわずかな圧力で開くかもしれない。バルブの非作動状態のこの種の望まれていない流れは、不利で、医療技術または燃料電池の分野において危機的でさえありえる。   US Patent Application Publication 2004 / 0036047A1 and US Patent Application Publication 2006 / 0027772A1 disclose normally closed valves. Formed by a stack of two silicon chips, the lower silicon chip includes the inlet and outlet of the valve, and the upper chip located above the lower chip is the recess of the valve chamber, the valve lip and the lower Includes a tappet on the side facing the tip, and a recess on the opposite side of the upper tip facing away from the lower tip to define the membrane, on the membrane above the tappet, to open the valve A piezoelectric drive is arranged to move the valve shutter formed on the chip downward. In the closed state, i.e. when the piezoelectric ceramic is not activated, the valve lip fluidically disconnects the valve inlet from the valve chamber. When the piezoelectric ceramic is operating, the piezoelectric ceramic moves the valve shutter connected to the membrane through the tappet downward. In this case, the valve lip no longer contacts the tappet and the valve is open. It has been observed that after the manufacture of the bulb, the membrane sometimes tends to bias downward. If these downward deflections are large, the valve may not meet the density requirements of a normally closed valve or may open with a slight reverse pressure on the membrane. This undesired flow of valve deactivation is disadvantageous and can even be critical in the field of medical technology or fuel cells.

特許出願公開EP0424087A1Patent Application Publication EP0424087A1 米国特許出願公開US2005/0123420A1US Patent Application Publication US2005 / 0123420A1 米国特許明細書US6,261,066B1US Patent Specification US 6,261,066 B1 米国特許明細書US5,759,014US Patent Specification US 5,759,014 米国特許出願公開US2009/0158923A1US Patent Application Publication US2009 / 0158923A1 米国特許出願公開2004/0036047A1US Patent Application Publication 2004 / 0036047A1 米国特許出願公開2006/0027772A1US Patent Application Publication 2006 / 0027772A1

本発明の目的は、先行技術の1つまたは全ての上述の不利な点を除去することができる屈曲トランスデューサを製造する方法を提供することである。本発明の更なる目的は、高い圧縮比を提供することができ、容易に製品を設計することができるマイクロ・ポンプを提供することである。本発明のさらに別の目的は、信頼性が高い密度特性を有するマイクロ・バルブを提供することである。   The object of the present invention is to provide a method of manufacturing a bending transducer that can eliminate one or all of the above disadvantages of the prior art. A further object of the present invention is to provide a micro pump that can provide a high compression ratio and can be easily designed. Yet another object of the present invention is to provide a micro-valve having reliable density characteristics.

本発明の目的は、請求項1に記載の屈曲トランスデューサ、請求項13に記載のマイクロ・ポンプを製造する方法、請求項14に記載のマイクロ・バルブを製造する方法、請求項17に記載のマイクロ・ポンプおよび請求項20に記載のマイクロ・バルブによって達成される。   The object of the present invention is to produce a bending transducer according to claim 1, a method for producing a micro pump according to claim 13, a method for producing a micro valve according to claim 14, and a micro according to claim 17. Achieved by a pump and a micro valve according to claim 20;

本発明の実施例は、駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法を提供し、この方法は、膜および駆動手段を準備するステップと、接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜に駆動手段を接合している間、屈曲トランスデューサを動作させるための動作信号と同じ種類の製造信号を駆動手段に適用するステップを含む。   Embodiments of the present invention provide a method of manufacturing a bending transducer comprising a drive means and a membrane, the method comprising the steps of providing the membrane and the drive means and pre-stressing the drive means after bonding. Applying to the drive means a manufacturing signal of the same type as the operating signal for operating the flexure transducer while joining the drive means to the membrane.

屈曲トランスデューサの実施例は、膜と、膜に結合される駆動手段とを含み、駆動手段は、駆動手段の主面で屈曲可能または偏向可能な膜に接合され、駆動手段に適用される作動または動作信号を駆動手段が膜に接合される主面に垂直な屈曲トランスデューサの動きに変換する。換言すれば、駆動信号は、駆動手段が膜に結合される主面に関して垂直の動き(また、垂直範囲または方向と呼ばれる)に変換される、駆動手段が膜に接合される主面に平行な(また、水平範囲または方向と呼ばれる)駆動手段の寸法変化(収縮または抽出)を達成する。変換の程度は、駆動手段のd31係数によって規定される。製造法のため、これらの屈曲トランスデューサには、プレストレスが与えられるか、予め膨らみが与えられる。この種のプレストレスが与えられた屈曲トランスデューサは、上述した課題を解決するために、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブに用いられることができる。   Examples of bending transducers include a membrane and drive means coupled to the membrane, the drive means being joined to a bendable or deflectable membrane at the main surface of the drive means and applied to the drive means or The motion signal is converted into the motion of a bending transducer perpendicular to the main surface where the drive means is joined to the membrane. In other words, the drive signal is translated into a vertical motion (also called vertical range or direction) with respect to the main surface where the drive means is coupled to the membrane, parallel to the main surface where the drive means is joined to the membrane. A dimensional change (shrinkage or extraction) of the drive means (also called horizontal range or direction) is achieved. The degree of conversion is defined by the d31 coefficient of the driving means. Due to the manufacturing method, these bending transducers are prestressed or pre-swelled. This kind of prestressed flexure transducer can be used in micro pumps and micro valves to solve the above-mentioned problems.

駆動手段は、例えば、特定の作動信号または入力が駆動手段に与えたられたときに、その体積または少なくとも一つの次元を変えるのに適した圧電駆動手段または他のいかなる駆動手段でもありえる。圧電駆動手段の場合、製造信号および動作信号は、圧電駆動手段に印加される電圧である。正の電圧が印加された場合、圧電駆動手段は収縮し、駆動手段と膜との間の接合面に対して膜の向きに膜を動かす。   The drive means can be, for example, a piezoelectric drive means or any other drive means suitable for changing its volume or at least one dimension when a particular actuation signal or input is provided to the drive means. In the case of piezoelectric driving means, the manufacturing signal and the operation signal are voltages applied to the piezoelectric driving means. When a positive voltage is applied, the piezoelectric drive means contracts and moves the film in the direction of the film relative to the interface between the drive means and the film.

駆動手段の別の実施例は、例えば、磁気拘束性の駆動手段、または磁界が磁気拘束性の駆動手段に与えられた場合にその体積を変える磁気拘束性の材料から成る駆動手段である。この場合、製造信号および動作信号(後の通常運転の間、駆動手段に与えられる信号)は電磁界である。   Another embodiment of the drive means is, for example, a magnetically restrictive drive means or a drive means made of a magnetically restrictive material that changes its volume when a magnetic field is applied to the magnetically restrictive drive means. In this case, the manufacturing signal and the operation signal (signals given to the driving means during the subsequent normal operation) are electromagnetic fields.

上述の実施例から明らかになるように、製造信号および動作信号は同じ種類の信号(圧電駆動手段、磁気拘束性の駆動手段のための磁界のための電圧)である。   As will be apparent from the above embodiment, the manufacturing signal and the operation signal are the same type of signal (voltage for the magnetic field for the piezoelectric drive means, magnetically constrained drive means).

製造信号の大きさ(圧電駆動手段のための製造信号および動作信号の電圧レベル、磁気拘束性の駆動手段のための磁界の強さ)は、製造信号および駆動信号に関して同じものとすることができ、または、異なったものとすることができる。   The magnitude of the manufacturing signal (the voltage level of the manufacturing signal and the operating signal for the piezoelectric driving means, the strength of the magnetic field for the magnetically constraining driving means) can be the same for the manufacturing signal and the driving signal. Or it can be different.

製造信号の極性または方向(圧電駆動手段のための電圧の極性、磁気拘束性の駆動手段のための磁界の方向)は、製造信号および駆動信号に関して同じにすることができ、または、異なったもの、例えば逆向きとすることができる。   The polarity or direction of the manufacturing signal (the polarity of the voltage for the piezoelectric driving means, the direction of the magnetic field for the magnetically constraining driving means) can be the same for the manufacturing signal and the driving signal, or different For example, the direction can be reversed.

製造信号および動作信号の極性が同じである場合、発明の方法によって達成される(膜および/または駆動手段の)屈曲トランスデューサの予め与えられる膨らみは、駆動手段が動作したときに膜または屈曲トランスデューサの対応するストロークと同様である。   If the polarity of the manufacturing signal and the operating signal are the same, the pre-given bulge of the bending transducer (of the membrane and / or drive means) achieved by the method of the invention is that of the membrane or bending transducer when the driving means is operated. The same as the corresponding stroke.

特定の実施例において、アプリケーションに応じて、製造信号は、製造信号と同じ極性を有し、製造信号の大きさが製造信号と同じ大きさをもち、または、より小さいあるいはより大きい大きさを有する。   In certain embodiments, depending on the application, the manufacturing signal has the same polarity as the manufacturing signal and the magnitude of the manufacturing signal has the same magnitude as the manufacturing signal, or has a smaller or larger magnitude. .

本発明の別の実施例は、マイクロ・ポンプを製造する方法を提供し、マイクロ・ポンプは膜および屈曲トランスデューサおよび駆動手段を含み、膜は、ポンプ膜を形成して、駆動手段によって第1の膨らんだ位置と第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、ポンプ本体はポンプ膜に接続されて、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを設定し、この方法は、駆動手段が作動しないときに、ポンプ膜が第1の膨らんだ位置において第1の予め膨らんだ形状をとるように、発明の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む。   Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a micro pump, wherein the micro pump includes a membrane and a bending transducer and a driving means, the membrane forming the pump membrane and the first by the driving means. The pump body is connected to the pump membrane and a pump chamber is set between the pump body and the pump membrane, the method comprising: Manufacturing the bending transducer according to the method of the invention such that the pump membrane assumes a first pre-bulge shape at the first bulge position when the drive means is not activated.

本発明のさらに別の実施例は、マイクロ・バルブを製造する方法を提供し、マイクロ・バルブは膜および駆動手段を有する屈曲トランスデューサを含み、膜は、バルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第1の位置と第2の位置との間で移動するように構成され、この方法は、発明の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む。   Yet another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a microvalve, wherein the microvalve includes a flexure transducer having a membrane and a drive means, the membrane forming the valve membrane to form the microvalve. The driving means is configured to move between a first position and a second position for opening and closing, the method comprising manufacturing a bending transducer according to the method of the invention.

この実施例は、マイクロ・ポンプを提供し、このマイクロ・ポンプは、膜および駆動手段を含む屈曲トランスデューサを含み、膜は、マイクロ・ポンプのポンプ膜を形成して、駆動手段によって第1の膨らんだ位置と第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを設定するためにポンプ本体がポンプ膜に接続され、駆動手段が作動しないときにポンプ膜は第1の膨らんだ位置において予め膨らんだ形状をとり、屈曲トランスデューサは発明の方法によって製造される。   This embodiment provides a micro pump, which includes a flexure transducer that includes a membrane and a drive means, the membrane forming the pump membrane of the micro pump and the first bulge by the drive means. It is configured to move between the position and the second low bulge position, the pump body is connected to the pump membrane to set the pump chamber between the pump body and the pump membrane, and the driving means is activated When not, the pump membrane assumes a pre-bulge shape at the first bulge position and the flexure transducer is manufactured by the method of the invention.

さらに、実施例はマイクロ・バルブを提供し、このマイクロ・バルブは膜および駆動手段を含む屈曲トランスデューサを含み、膜は、バルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第1の位置と第2の位置との間で移動するように構成され、屈曲トランスデューサは発明の方法によって製造される。   Further, the embodiment provides a micro-valve, which includes a bending transducer that includes a membrane and a drive means, the membrane forming a valve membrane and being activated by the drive means to open and close the micro-valve. Constructed to move between a first position and a second position, the bending transducer is manufactured by the inventive method.

本発明の実施例は、図8に示されるマイクロ・ポンプの膨らみ840および対応する死容積が、プレストレスが与えられたダイアフラムまたは膜の屈曲形状が必ずしも圧電アクチュエータの対応するストロークと同様ではないという事実によって生じることを発見したことに基づく。換言すれば、製造中(例えば酸化被膜またはレーザ溶接)にプレストレスが与えられることによるプレストレスが与えられた膜の偏向は、マイクロ・ポンプの駆動の間、圧電動作主体によって生じる膜の偏向と異なる。   The embodiment of the present invention states that the micropump bulge 840 and corresponding dead volume shown in FIG. 8 is not the same as the corresponding stroke of the piezoelectric actuator in the prestressed diaphragm or membrane flexure shape. Based on discovering what happens by fact. In other words, prestressed film deflection due to prestressing during manufacturing (eg, oxide film or laser welding) is the film deflection caused by the piezoelectric actuating body during the micro pump drive. Different.

本発明の実施例は、予め膨らんだ方法をポンプ膜に提供することによって圧縮比を最大にすることができ、それは圧電膜の動きに、または、一般的に、動作膜の動きに適している。このように、膨らみ840および対応する死容積は、回避されることができるかまたは少なくとも減らされることができる。ポンプ膜に接合される駆動手段によって生じるポンプ膜の動きに適しているポンプ膜に予め与えられた膨らみを達成するために、方法の実施例は、駆動手段が作動しないときにポンプ膜が予め膨らんだ形状をとるように、ポンプ膜に駆動手段を接合するステップを含む。駆動手段が作動すると、それに対応して、膜は第2の膨らみの少ない位置をとり、非作動状態の駆動手段によって生じるポンプ膜の緊張または応力は低減される。予め膨らんだポンプ膜を製造する方法の実施例において、両方とも平面形状を有するときに、駆動手段は、例えば、ポンプ膜に接合されることができる。ポンプ膜に駆動手段を接合するときに、横方向に駆動手段を収縮させるための異なる温度係数および/または製造信号の適用により、駆動手段が作動しないときに、駆動手段とポンプ膜は第1の膨らんだ位置において上方の予め膨らんだ形状をとる。駆動手段の作動は(ポンプ膜の緊張を減らすと同時に)駆動手段を再び収縮させ、膜の下方への偏向は予め膨らんだ状態とは逆の偏向を示し、駆動手段を駆動するかまたは作動させるための駆動信号が十分に強い場合、駆動手段は縁部において膨らみがないか無視できるように平坦なあるいは最小の基本的に平坦な形状をとる。   Embodiments of the present invention can maximize the compression ratio by providing a pre-swollen method to the pump membrane, which is suitable for movement of the piezoelectric membrane or, in general, for movement of the working membrane. . In this way, the bulge 840 and the corresponding dead volume can be avoided or at least reduced. In order to achieve a pre-given bulge in the pump membrane that is suitable for the movement of the pump membrane caused by the drive means joined to the pump membrane, an embodiment of the method is that the pump membrane is pre-inflated when the drive means is not activated. Joining the drive means to the pump membrane so as to assume an elliptical shape. When the drive means is activated, the membrane is correspondingly positioned in the second less bulging position and the pump membrane tension or stress caused by the non-actuated drive means is reduced. In an embodiment of the method for producing a pre-swollen pump membrane, the drive means can be joined to the pump membrane, for example, when both have a planar shape. When joining the drive means to the pump membrane, the drive means and the pump membrane are in the first state when the drive means do not operate due to the application of different temperature coefficients and / or manufacturing signals to cause the drive means to contract laterally. At the swollen position, the upper swollen shape is taken. Actuation of the drive means causes the drive means to contract again (at the same time as reducing the tension of the pump membrane) and a downward deflection of the membrane indicates a deflection opposite to the pre-inflated state, driving or actuating the drive means If the drive signal for this is strong enough, the drive means is flat or minimally flat so that there is no bulge at the edge or can be ignored.

換言すれば、駆動手段の作動によって生じる膜の変形は、予め与えられた膨らみとは逆の効果および変形を示し、したがって、ポンプ膜の縁部で、少なくとも膨らみまたは偏向840を低減する。   In other words, the deformation of the membrane caused by the actuation of the drive means exhibits the opposite effect and deformation to the pre-given bulge, thus reducing at least the bulge or deflection 840 at the edge of the pump membrane.

さらに換言すれば、本発明の実施例は、マイクロ・ポンプを提供し、予め膨らんだポンプ膜の屈曲形状は駆動手段の作動によって生じる変形に適合しており、それにより、ポンプ膜が第2の膨らみの少ないまたは平坦な位置にあり、逆圧が与えられないときに、ポンプ本体に向かっているポンプ膜は平面基本形状を有する。「平面基本形状」という用語は、ポンプチャンバ床が平面または空洞を有する平面である場合にポンプ膜が平面形状を有し、ポンプチャンバ床またはポンプ膜がポンプチャンバ床に分布する付着防止手段としての突起を含む場合、ポンプ膜はポンプチャンバ床の縁部でわずかに膨らみ、外側の付着防止手段がそこからポンプチャンバの中央部に向かって配置され、付着防止用の突起によってもたらされる平面形状はその剛性による。   In other words, an embodiment of the present invention provides a micro pump, wherein the pre-expanded pump membrane bend shape is adapted to deformation caused by actuation of the drive means, whereby the pump membrane is second The pump membrane facing the pump body has a planar basic shape when it is in a position with little or no bulge and no back pressure is applied. The term “planar basic shape” is used as an anti-adhesion means in which the pump membrane has a planar shape when the pump chamber floor is a plane or a plane having a cavity, and the pump chamber floor or pump membrane is distributed on the pump chamber floor. When including protrusions, the pump membrane bulges slightly at the edge of the pump chamber floor, the outer anti-adhesive means are arranged from there towards the center of the pump chamber, and the planar shape provided by the anti-adhesion protrusion is It depends on rigidity.

マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例によれば、駆動手段、例えば圧電駆動手段は、縮小した状態、すなわち所定の製造信号または電圧が駆動手段に収縮をもたらすために駆動手段に与えられた状態でポンプ膜に接合され、その後、信号電圧が開放される。信号または電圧の開放により、駆動手段は復元され、ポンプチャンバから上方に離れて、駆動手段と共に膜を屈曲させる。   According to an embodiment of the method for manufacturing a micro pump, the drive means, for example the piezoelectric drive means, is in a contracted state, i.e. a state in which a predetermined production signal or voltage is applied to the drive means to cause the drive means to contract. And then the signal voltage is released. Upon release of the signal or voltage, the drive means is restored and moves upward away from the pump chamber to bend the membrane with the drive means.

マイクロ・ポンプを製造する方法の他の実施例によれば、ポンプ膜および駆動手段、例えば圧電駆動手段は所定の製造温度に更に加熱され、この製造温度で互いに接合され、その後、例えば通常の外界温度に冷却される。駆動手段およびポンプ膜の異なる熱膨張係数のため、屈曲トランスデューサには、付加的な方法でプレストレスが与えられる。   According to another embodiment of the method of manufacturing a micro pump, the pump membrane and the driving means, for example the piezoelectric driving means, are further heated to a predetermined manufacturing temperature and joined to each other at this manufacturing temperature, after which, for example, the normal external environment Cooled to temperature. Due to the different coefficients of thermal expansion of the drive means and the pump membrane, the bending transducer is prestressed in an additional way.

一方、この効果は、例えば、ポンプまたはバルブ膜に更に増加した予め膨らんだ高さを提供するために用いることができる増加したプレストレス特性を有する屈曲トランスデューサを製造するために用いることができる。   This effect, on the other hand, can be used, for example, to produce a flexure transducer with increased prestress characteristics that can be used to provide a further increased pre-bulge height to the pump or valve membrane.

その一方で、駆動手段とポンプ膜との異なる温度膨張係数が通常下方(駆動手段からポンプ膜に向かう方向)への予め膨らんだ形状につながる場合、製造信号を開放することによって達成される第1の向きにおけるポンプ膜に予め与えられた膨らみが、駆動手段およびポンプ膜が例えば通常のまたは環境の温度に冷却されることによって達成される第1の向きと対向する第2の向きにおけるポンプ膜に予め与えられる膨らみとの釣り合い以上となるように、製造信号は適用されることができる。   On the other hand, if different temperature expansion coefficients of the driving means and the pump membrane lead to a pre-expanded shape usually downward (in the direction from the driving means to the pump membrane), the first achieved by opening the manufacturing signal A pre-given bulge on the pump membrane in the orientation of the pump membrane in the second orientation opposite the first orientation achieved by cooling the drive means and pump membrane to, for example, normal or ambient temperature. The manufacturing signal can be applied to be more than balanced with the pre-given bulge.

この第2の態様は、圧電セラミックまたは他の圧電駆動手段より典型的に低い熱膨張係数を有し、下方へ予め不必要に膨らむ半導体膜にとって有利である。圧電駆動手段を収縮させる製造信号を圧電駆動手段に適用することによって、予め下方に与えられる膨らみは釣り合い以上にすることができ、(ポンプ膜から圧電駆動手段に向かって)予め上方に与えられる膨らみが達成されることができる。   This second aspect is advantageous for semiconductor films that typically have a lower coefficient of thermal expansion than piezoceramic or other piezoelectric drive means and that swell unnecessarily in advance downward. By applying a manufacturing signal for contracting the piezoelectric drive means to the piezoelectric drive means, the bulge given in advance downward can be more than balanced, and the bulge given in advance upward (from the pump membrane toward the piezoelectric drive means). Can be achieved.

このように、米国特許出願公開2004/0036047A1および米国特許出願公開2006/0027772A1にて説明されている常閉バルブは、圧電駆動手段およびシリコン膜によって形成される屈曲トランスデューサにプレストレスを与えることにより非作動状態においてより確実に閉じるか密閉することができる。   Thus, the normally closed valve described in US Patent Application Publication 2004 / 0036047A1 and US Patent Application Publication 2006 / 0027772A1 is non-stressed by prestressing the flexure transducer formed by the piezoelectric drive means and the silicon film. It can be closed or sealed more reliably in the operating state.

マイクロ・ポンプに関して、マイクロ・ポンプの圧縮比cは、行程容積ΔVおよび死容積V0の比、すなわちc=ΔV/V0によって定義される。したがって、2つの計測は、主として圧縮比を上昇させるために最初に考慮されることができる。第1に、行程容積ΔVを増加させ、第2に死容積V0を減らす。本発明の実施例は、両方の計測に対処し、圧縮比を上昇させることができる。 For a micro pump, the compression ratio c of the micro pump is defined by the ratio of the stroke volume ΔV and the dead volume V 0 , ie c = ΔV / V 0 . Thus, the two measurements can be considered initially primarily to increase the compression ratio. First, the stroke volume ΔV is increased, and secondly, the dead volume V 0 is decreased. Embodiments of the present invention can handle both measurements and increase the compression ratio.

膜に対向して下方にありポンプ本体の中にある入力および出力チェックバルブの配置は、高い行程容積を達成して、同時に死容積を低減することができる。さらに、ポンプ膜に予め与えられる膨らみは、一方向へ(例えば、下方だけに)駆動手段および特に圧電駆動手段を使用するかまたは作動させることを必要とするだけであり、駆動手段の複雑さを低減して、圧電駆動手段の場合には減極の危険度を低減する。   The arrangement of input and output check valves below the membrane and in the pump body can achieve a high stroke volume and at the same time reduce dead volume. Furthermore, the pre-given bulge on the pump membrane only requires the use of or activation of the drive means and in particular the piezoelectric drive means in one direction (eg only downward), reducing the complexity of the drive means. The risk of depolarization is reduced in the case of piezoelectric drive means.

ポンプチャンバ床を形成しているポンプ本体の上側表面の形状および第2の膨らみの少ない位置におけるポンプ膜の形状に応じて、マイクロ・ポンプの死容積は低減されることができる。したがって、マイクロ・ポンプの実施例は、例えば、ポンプ膜およびポンプチャンバ床の間に配置されるスペーサ手段またはスペーサ構造体を含まず、少なくとも基本的に平らなポンプチャンバ床を含み、ポンプ膜が第2の、すなわち基本的に平らな位置にあるときに、ポンプ膜の形状およびポンプチャンバ床の形状は一致し、ポンプチャンバの死容積がバルブ坑の死容積によって基本的に定義されるだけであるマイクロ・バルブを提供する。   Depending on the shape of the upper surface of the pump body forming the pump chamber floor and the shape of the pump membrane at the second low bulge position, the dead volume of the micro pump can be reduced. Thus, an embodiment of a micro pump does not include, for example, a spacer means or spacer structure disposed between the pump membrane and the pump chamber floor, but includes at least an essentially flat pump chamber floor, where the pump membrane is the second That is, when in an essentially flat position, the shape of the pump membrane and the shape of the pump chamber floor match, and the dead volume of the pump chamber is only basically defined by the dead volume of the valve well. Provide a valve.

マイクロ・ポンプの実施例は、完全に平らなポンプ本体を含むことができ、(ポンプチャンバ床を定めているポンプ本体の一部だけではなく)全てのポンプ本体は、基本的に平面(例えば、バルブ坑以外の平面)である。シリコンまたはその他半導体物質、金属または高分子材料がポンプ本体に使用されているかどうかとは無関係に、および/または入力および出力チェックバルブがどのように製造され一体化されているかとは無関係に、この種の完全に平らな表面またはポンプ本体は容易に製造される。このように、この種の実施例は、生産工学の複雑さも減らすことができる。   Embodiments of micro pumps can include a completely flat pump body, and all pump bodies (not just the part of the pump body defining the pump chamber floor) are essentially flat (e.g., It is a plane other than the valve pit). This is independent of whether silicon or other semiconductor materials, metals or polymer materials are used in the pump body and / or regardless of how the input and output check valves are manufactured and integrated. A completely flat surface of the seed or the pump body is easily manufactured. Thus, this type of embodiment can also reduce the complexity of production engineering.

入口および出口チェックバルブの死容積および/または入口および出口チェックバルブのバルブ坑は、−ポンプ膜に対向する入口および出口チェックバルブの配置のため−付着効果を低減して、ポンプチャンバ床からのポンプ膜のより簡単な移動および対応する上方へのポンプ膜の動きを可能にする。さらに、マイクロ・ポンプの実施例は、付着効果を減少させ、および/または流動抵抗を減少させるために、ポンプ膜の中心領域に対向して配置される入口および/または出口チェックバルブを含む。   The dead volume of the inlet and outlet check valves and / or the valve wells of the inlet and outlet check valves-due to the placement of the inlet and outlet check valves opposite the pump membrane-reduce the sticking effect and pump from the pump chamber floor Allows easier movement of the membrane and corresponding upward movement of the pump membrane. In addition, micro-pump embodiments include an inlet and / or outlet check valve disposed opposite the central region of the pump membrane to reduce adhesion effects and / or reduce flow resistance.

更なる実施例において、ポンプ膜が第2の位置に移動して、平らな形状をとるとき、例えば、ポンプチャンバに向かって面しているバルブ側のバルブ構造におけるバルブ坑および/または窪みを除いて、ポンプ膜がポンプチャンバ床を形成している上側表面に接するように、ポンプ膜は、ポンプ膜の上側表面に直接接合される。この文脈において、「直接接合」は、例えば接着剤などの接合材料を用いて、あるいは接合材料を用いないで(すなわち、結合材料なし)、例えば超音波溶接、レーザ溶接などを用いて、ポンプ膜がポンプ本体に接続されることができることであると理解されるが、ポンプ膜とポンプ本体との間に間隔層または成分がないと、ポンプ膜が第2の平らな位置にあるときに、ポンプ膜とポンプ本体との間のギャップの原因となる。   In a further embodiment, when the pump membrane moves to the second position and assumes a flat shape, for example, removes a valve well and / or depression in the valve side valve structure facing towards the pump chamber. Thus, the pump membrane is bonded directly to the upper surface of the pump membrane so that the pump membrane contacts the upper surface forming the pump chamber floor. In this context, “direct bonding” refers to a pump membrane using a bonding material, such as an adhesive, or without a bonding material (ie, no bonding material), for example, using ultrasonic welding, laser welding, or the like. Can be connected to the pump body, but without a spacing layer or component between the pump membrane and the pump body, the pump membrane is in the second flat position when the pump membrane is in the second flat position. It causes a gap between the membrane and the pump body.

したがって、本発明の実施例は、自給動作を有するマイクロ・ポンプを提供し、ガスのような圧縮性の媒体を運搬することに適していて、泡に対する耐性があり、泡とは無関係である。   Thus, embodiments of the present invention provide a micro pump with self-contained operation, suitable for carrying a compressible medium such as gas, resistant to foam and independent of foam.

泡がポンプチャンバに入ったときにマイクロ・ポンプがまだ動いているようにそれらが構成されるとき、マイクロ・ポンプは泡に対する耐性があると考えられ、泡(または泡の一部)はポンプチャンバによって運搬される。しかしながら、ポンプチャンバに気泡(またはそれらの部分)が存在する間、ポンプ速度は変化することができる。   When they are configured so that the micro pumps are still moving when the foam enters the pump chamber, the micro pumps are considered resistant to the foam and the foam (or part of the foam) is in the pump chamber Is carried by. However, the pump speed can vary while bubbles (or portions thereof) are present in the pump chamber.

泡がポンプチャンバに入ったときに、マイクロ・ポンプがまだ動いているだけでなく、ポンプ速度がポンプチャンバ内の泡の存在と無関係であるように構成されている場合、マイクロ・ポンプは泡に対して独立しているものと考えられる。   When the foam enters the pump chamber, the micro pump is not only moving, but if the pump speed is configured to be independent of the presence of foam in the pump chamber, the micro pump It is considered that they are independent.

本発明による膜に予め膨らみを与える方法は、予め与えられた膨らみの特に高い範囲、例えば、ポンプチャンバの横方向の拡張に関して、すなわちポンプチャンバの直径に関して、予め膨らんだ部分の高さを実行することができ、高いポンプチャンバ容量Vmaxだけでなく、特に、高い行程容積ΔVおよび最終的に高い圧縮比cを促進する。 The method of pre-bulging the membrane according to the present invention implements the height of the pre-bulge part with a particularly high range of pre-given bulges, e.g. with respect to the lateral expansion of the pump chamber, i.e. with respect to the diameter of the pump chamber. Not only a high pump chamber volume V max , but especially a high stroke volume ΔV and finally a high compression ratio c.

さらに、方法の実施例は、付加的な処理ステップ、例えば付加的な酸化被膜の形成を必要とせずに、予め膨らんだポンプ膜またはバルブ−または一般的にプレストレス膜−を製造または生産することができる。
実施例は、添付の図面を参照して、後に説明される。
In addition, method embodiments produce or produce pre-inflated pump membranes or valves, or generally pre-stress membranes, without the need for additional processing steps, such as the formation of additional oxide layers. Can do.
Examples will be described later with reference to the accompanying drawings.

図1Aは、屈曲トランスデューサを製造する方法の実施例を示すフロー図である。FIG. 1A is a flow diagram illustrating an embodiment of a method of manufacturing a bending transducer. 図1Bは、マイクロ・ポンプの実施例を示し、ポンプ膜自体は第1の予め膨らんだ位置または状態(非動作、または、休止状態)ある。FIG. 1B shows an embodiment of a micro pump, where the pump membrane itself is in a first pre-inflated position or state (non-operating or resting). 図1Cは、第2の動作位置または状態における図1Bのマイクロ・ポンプの実施例を示し、ポンプ膜は平面形状をとってポンプチャンバ床に当接する。FIG. 1C shows the micropump embodiment of FIG. 1B in the second operating position or state, where the pump membrane takes a planar shape and abuts the pump chamber floor. 図1Dは、第2のより膨らみの少ない形状、ここでは平面形状から第1の膨らんだ形状に移るときのポンプ膜の中間の形状を示す図である。FIG. 1D is a diagram showing an intermediate shape of the pump membrane when moving from a second less bulging shape, here a planar shape to a first bulging shape. 図2Aは、(第1の非動作または休止状態において)ポンプ膜の上面に配置される圧電駆動手段を有するマイクロ・ポンプの実施例を示す横断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view showing an embodiment of a micro pump having piezoelectric drive means disposed on the top surface of the pump membrane (in a first non-operating or resting state). 図2Bは、第2の動作した状態の図2Aにおけるマイクロ・ポンプを示す断面図解図である。FIG. 2B is a cross-sectional schematic view showing the micro pump in FIG. 2A in a second operating state. 図3Aは、マイクロ・ポンプを製造する方法を説明する断面図解図である。FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a micro pump. 図3Bは、マイクロ・ポンプを製造する方法を説明する断面図解図である。FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a micro pump. 図4Aは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。FIG. 4A is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a micro pump. 図4Bは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。FIG. 4B is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a micro pump. 図4Cは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。FIG. 4C is a cross-sectional schematic view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a micro pump. 図4Dは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。FIG. 4D is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a micro pump. 図4Eは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。FIG. 4E is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a micro pump. 図4Fは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。FIG. 4F is an illustrative sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a micro pump. 図5Aは、図4A〜4Fに基づいて記載されている方法に従って製造されるマイクロ・ポンプの非作動状態を示す断面図解図である。FIG. 5A is a cross-sectional schematic view showing the non-actuated state of a micro pump manufactured according to the method described on the basis of FIGS. 図5Bは、図4A〜4Fに基づいて記載されている方法に従って製造されるマイクロ・ポンプの作動状態を示す断面図解図である。FIG. 5B is a cross-sectional schematic view showing the operating state of a micro pump manufactured according to the method described on the basis of FIGS. 図6は、異なる膨らみ効果または膨らむ原因に対するポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までの標準化された屈曲ライン(半分のポンプ膜)を示す図である。FIG. 6 shows a standardized bend line (half pump membrane) from the center of the pump membrane to the edge of the pump membrane for different bulging effects or causes of bulging. 図7Aは、製造電圧を印加することなく80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。FIG. 7A is a diagram showing a bending line of the pump membrane from the central portion of the pump membrane to the edge of the pump membrane for bonding the piezoelectric at 80 ° C. without applying a manufacturing voltage. 図7Bは、73.6Vの製造電圧を印加して80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。FIG. 7B is a diagram showing a bending line of the pump membrane from the central portion of the pump membrane to the edge of the pump membrane for applying the manufacturing voltage of 73.6 V to couple the piezoelectric at 80 ° C. 図7Cは、73.6Vの製造電圧を印加して80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部から縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。FIG. 7C is a diagram showing a bending line of the pump membrane from the center portion to the edge portion of the pump membrane for applying a manufacturing voltage of 73.6 V to couple the piezoelectric at 80 ° C. 図7Dは、178Vの製造電圧を印加して80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部から縁部までのポンプ膜の異なる屈曲ラインを示す図である。FIG. 7D is a diagram showing different bend lines of the pump membrane from the center to the edge of the pump membrane for applying a 178V manufacturing voltage to couple the piezoelectric at 80 ° C. 図7Eは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。FIG. 7E is an illustrative view showing a normally closed valve having a prestressed flexure transducer. 図7Fは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。FIG. 7F is an illustrative view showing a normally closed valve having a prestressed flexure transducer. 図7FFは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。FIG. 7FF is an illustration of a normally closed valve having a prestressed flexure transducer. 図7Gは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。FIG. 7G is an illustration showing a normally closed valve having a prestressed flexure transducer. 図7Hは、予め膨らんだバルブ膜を有する常開バルブの第1実施例を示す図である。FIG. 7H is a diagram illustrating a first embodiment of a normally open valve having a valve membrane that has been previously inflated. 図7Iは、予め膨らんだバルブ膜を有する常開バルブの第2実施例を示す図解図である。FIG. 7I is an illustrative view showing a second embodiment of a normally-open valve having a pre-inflated valve membrane. 図8は、非作動および作動した状態の従来のプレストレスが与えられた膜を有するマイクロ・ポンプを示す図解図である。FIG. 8 is an illustrative view showing a conventional micro-pump with a pre-stressed membrane in an inactive and activated state.

同じおよび/または等価な要素は、以下の図の説明において、同じまたは等価な参照番号によって示される。   Same and / or equivalent elements are denoted by the same or equivalent reference numerals in the description of the figures below.

図1Aは、駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法の実施例のフロー図を示す。ステップ1010において、膜および駆動手段が準備される。ステップ1020において、接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜に駆動手段を接合している間、屈曲トランスデューサを動作させるための動作信号と同じ種類の信号が駆動手段に適用される。換言すれば、製造信号は、屈曲トランスデューサの通常の駆動の間、屈曲トランスデューサおよび膜を曲げるかまたは偏向させるために駆動手段に適用される動作信号と同じ種類の信号である。   FIG. 1A shows a flow diagram of an embodiment of a method of manufacturing a flexure transducer that includes a drive means and a membrane. In step 1010, the membrane and drive means are prepared. In step 1020, a signal of the same type as the operation signal for operating the flexure transducer is applied to the drive means while the drive means is joined to the membrane so that the drive means is prestressed after bonding. In other words, the manufacturing signal is the same type of signal that is applied to the drive means to bend or deflect the bending transducer and the membrane during normal driving of the bending transducer.

製造信号は、好ましくは、結合が終了した後に開放されるか、または全ての接合プロセスの間適用される。   The manufacturing signal is preferably opened after the coupling is finished or applied during the entire joining process.

接合自体は、いかなる好適な接合技術によっても実施されることができる。膜への駆動手段の接合は、接合材料なしでまたは接合材料を用いて、例えば接着剤による接着によって、または液状の半田を用いた半田付けによって、実行されることができる。特定の接合材料とは無関係に、接合は駆動手段および膜の間に配置される接合材料によって実行され、接合材料が硬化した後、好ましくは完全に硬化された後に製造信号は開放されるだけである。電圧が早く、例えば接合材料が完全に硬化する前に開放された場合、駆動手段はそのサイズを変え、それにより、駆動手段の接合の後、プレストレスが与えられる範囲を減少させる。   The joining itself can be performed by any suitable joining technique. The joining of the drive means to the membrane can be carried out without or with a joining material, for example by adhesion with an adhesive or by soldering with a liquid solder. Regardless of the specific bonding material, the bonding is performed by the bonding material arranged between the drive means and the membrane, and the manufacturing signal is only opened after the bonding material is cured, preferably fully cured. is there. If the voltage is fast, e.g. if it is released before the bonding material is fully cured, the driving means will change its size, thereby reducing the prestressed area after bonding of the driving means.

前述したように、駆動手段が膜に接合される駆動手段の表面と平行する範囲の変更におけるトランスデューサの接合の場合、製造信号の適用は駆動手段のサイズの変化につながる。変化は、収縮か復元のどちらかでありえる。圧電アクチュエータは、例えば正の電圧が印加されると縮み、負の電圧が印加されるとある程度拡大する。したがって、実施例は、圧電アクチュエータを収縮した状態にセットして、接合が終了するまで圧電アクチュエータを収縮した状態に保つために、正の製造電圧を圧電アクチュエータに印加する。接合合の後、および、正の製造電圧を開放した後に、圧電アクチュエータは、作動していないときの通常のサイズまたは範囲に復元するか拡張しようとするが、圧電アクチュエータは、現在の寸法を、横方向寸法すなわち膜を有する圧電駆動手段の接触面に平行な寸法に保とうとしている膜に対する全主面を覆うように接合されている。したがって、圧電駆動手段、膜、または一般に屈曲トランスデューサには、プレストレスが与えられている。   As described above, in the case of transducer bonding in the change of the range in which the driving means is parallel to the surface of the driving means bonded to the membrane, the application of the manufacturing signal leads to a change in the size of the driving means. Changes can be either contraction or restoration. For example, the piezoelectric actuator contracts when a positive voltage is applied, and expands to some extent when a negative voltage is applied. Therefore, the embodiment sets the piezoelectric actuator in a contracted state and applies a positive manufacturing voltage to the piezoelectric actuator in order to keep the piezoelectric actuator in a contracted state until the end of bonding. After joining and after releasing the positive manufacturing voltage, the piezoelectric actuator attempts to restore or expand to its normal size or range when not operating, but the piezoelectric actuator It is joined so as to cover the entire principal surface for the film to be maintained in the lateral dimension, that is, the dimension parallel to the contact surface of the piezoelectric drive means having the film. Accordingly, prestress is applied to the piezoelectric drive means, the membrane, or generally the flexure transducer.

圧電アクチュエータおよび膜が、いかなる外周部にも機械的に接続されていないか、または外周部に縁部でのみ接続されている場合、例えばマイクロ・ポンプまたはマイクロ・バルブの場合、製造電圧の開放は、圧電アクチュエータが拡大するという結果をもたらすが、膜に結合されない場合に拡張する通常のサイズではない。一方では、圧電アクチュエータのために膜も拡張される。このように、圧電アクチュエータがその通常の寸法と比較して予め圧縮されるという点で、圧電性アクチュエータにはプレストレスが与えられるが、その通常の寸法と比較して予め引き伸ばされるという点で、膜にはプレストレスが与えられる。同時に、駆動手段および膜は、圧電アクチュエータに向かう方向にプレストレスが与えられているため、予め膨らんでいる。   If the piezoelectric actuator and membrane are not mechanically connected to any outer periphery or only connected to the outer periphery at the edge, for example in the case of micro pumps or micro valves, the production voltage is released. The result is that the piezoelectric actuator expands, but is not the normal size to expand when not bonded to the membrane. On the one hand, the membrane is also expanded due to the piezoelectric actuator. In this way, the piezoelectric actuator is pre-stressed compared to its normal dimensions, so that the piezoelectric actuator is pre-stressed, but is pre-stretched compared to its normal dimensions, The membrane is prestressed. At the same time, the driving means and the membrane are pre-swelled because prestress is applied in the direction toward the piezoelectric actuator.

圧電アクチュエータおよび膜がそれらの縁部で固定されるだけでなく、例えば、それらの中心(例えば米国特許出願公開US2004/0036047A1、米国特許出願公開US2006/0027772A1および図7E〜7Gによる常閉弁を参照)でも固定されている場合、膜および圧電アクチュエータは圧電アクチュエータに向かう方向に屈曲できないが、プレストレスが与えられ、圧電アクチュエータに向かう方向にプレストレスが与えられるものと思われる(圧電アクチュエータが圧縮されて、例えば、他の製造パラメータのため下方へ不必要に予め膨らむことを防止するという点で、プレストレスが与えられる)。   Piezoelectric actuators and membranes are not only fixed at their edges, but also see, for example, their centers (eg US patent application publication US 2004/0036047 A1, US patent application publication US 2006/0027772 A1 and normally closed valves according to FIGS. 7E-7G). ) If fixed, however, the membrane and piezoelectric actuator cannot bend in the direction toward the piezoelectric actuator, but prestress is applied and prestress is likely applied in the direction toward the piezoelectric actuator (the piezoelectric actuator is compressed) For example, prestress is applied in that it prevents unnecessary pre-swelling due to other manufacturing parameters).

同様の考察は、屈曲トランスデューサを利用できる他のいかなる駆動手段にもあてはまる。   Similar considerations apply to any other drive means that can utilize bending transducers.

膜に駆動手段を接合するための接着剤を使用する実施例において、接着剤は、しばしば通常の周辺温度より高い特定の所定の製造温度を必要とする。このように、駆動手段と膜との異なる温度係数によって、それが製造信号によって生じるプレストレスに重ねて付加的にプレストレスが生じることがありえる。製造信号によるプレストレスおよび異なる温度膨張係数によるプレストレスが同じ種類(例えば、両方が接合後の駆動手段の圧縮につながるか、両方が接合後の駆動手段に与えられる拡張につながる)である場合、プレストレスが付加され、製造信号によるプレストレスおよび異なる温度膨張係数によるプレストレスが異なる、例えば、逆であるか逆の種類(例えば、製造信号を適用することによるプレストレスが圧縮を引き起こし、異なる温度係数によるプレストレスが予め与えられる拡張を引き起こし、その逆も同様である)である場合、プレストレスは少なくとも部分的に互いに補償することができる。   In embodiments that use an adhesive to bond the drive means to the membrane, the adhesive often requires a certain predetermined manufacturing temperature above normal ambient temperature. In this way, different temperature coefficients of the drive means and the membrane can cause additional prestress on top of the prestress caused by the manufacturing signal. If the prestress due to the manufacturing signal and the prestress due to different temperature expansion coefficients are of the same type (for example, both lead to compression of the drive means after joining, or both lead to expansion provided to the drive means after joining) Prestress is added and prestress due to manufacturing signal and prestress due to different temperature expansion coefficients are different, for example, the reverse or reverse type (e.g. prestress by applying manufacturing signal causes compression and different temperature If the prestress by the factor causes a pre-given expansion and vice versa), the prestress can at least partially compensate for each other.

駆動手段および膜の異なる温度膨張係数によるプレストレスが、プレストレスの増加とそれによって例えばより高く予め与えられた膨らみおよびストロークを達成することに用いられるか、または、異なる温度係数によって不必要な方向に不必要な予め与えられる膨らみが少なくとも部分的に補償され、完全に補償され、または過度に補償されて、必要な範囲および方向に予め与えられる膨らみおよびストロークを達成するようなレベルおよび極性に製造信号を設定するために用いられるというのが、本発明のさらなる発見である。   Prestress due to different temperature expansion coefficients of the driving means and the membrane is used to achieve an increase in prestress and thereby achieve, for example, a higher pre-given bulge and stroke, or unnecessary directions due to different temperature coefficients Manufactured to a level and polarity such that unnecessary pre-given bulges are at least partially compensated, fully compensated, or over-compensated to achieve pre-given bulges and strokes in the required range and direction It is a further discovery of the present invention that it is used to set the signal.

実施例において、膜(例えば金属)の温度係数は駆動手段(例えば圧電セラミック)の温度係数より大きく、製造信号は駆動手段が接合中収縮した状態にあるようなものである。この場合、両方の効果によるプレストレスは、同じ種類のもの(駆動手段の圧縮)であって、達成可能なプレストレス(予め与えられた圧縮)を増加させ、膜および/または駆動手段の機械的な固定に応じて、達成可能な予め与えられた膨らみの高さを増加させる。   In an embodiment, the temperature coefficient of the membrane (eg, metal) is greater than the temperature coefficient of the drive means (eg, piezoelectric ceramic) and the manufacturing signal is such that the drive means is in a contracted state during bonding. In this case, the prestress due to both effects is of the same type (compression of the drive means), increasing the achievable prestress (pre-compressed compression) and mechanical of the membrane and / or drive means. As a result of this fixation, the achievable pre-expanded bulge height is increased.

更なる実施例において、膜(例えば、シリコン)の温度膨張係数は駆動手段(例えば、圧電駆動手段)の温度膨張係数より小さく、製造信号は駆動手段が接合中収縮した状態にあるようなものであり、異なる温度膨張係数によるプレストレスは、製造信号によるプレストレスによって補償されるより大きい。   In a further embodiment, the temperature expansion coefficient of the membrane (eg, silicon) is less than the temperature expansion coefficient of the driving means (eg, piezoelectric driving means) and the manufacturing signal is such that the driving means is in a contracted state during bonding. Yes, the prestress due to different coefficient of thermal expansion is larger than compensated by the prestress due to the manufacturing signal.

別の実施例は、膜に駆動手段を結合するためにレーザー・ボンディングまたは他の接合技術を使用することができ、上述のように、屈曲アクチュエータのプレストレスを達成して、潜在的に予め与えられる膨らみを得るために、接合中に製造信号を適用することができる。   Another embodiment can use laser bonding or other bonding techniques to couple the drive means to the membrane, as described above, achieving pre-stress of the bending actuator and potentially pre-applying. Manufacturing signals can be applied during bonding to obtain the bulges that are produced.

既存の接合プロセスおよび技術を用いることができるので、製造のための方法の実施例は容易に実施されることができる。膜に駆動手段を接合するステップの間製造信号を駆動手段に適用するための手段だけは、予測されなければならない。製造信号が駆動手段に適用される方法は動作信号が適用されるのと同様にすることができるため、これは更に容易に行うことができる。圧電アクチュエータのために、例えば、(分野の後期における)通常運転の間、動作信号を圧電アクチュエータに適用するために使用されるのと同じ電気的接続が、製造または生産の間、製造信号を適用するために用いられることができる。   Since existing bonding processes and techniques can be used, method embodiments for manufacturing can be easily implemented. Only the means for applying the manufacturing signal to the drive means during the step of joining the drive means to the membrane must be predicted. This can be done more easily because the method in which the manufacturing signal is applied to the driving means can be similar to that in which the operating signal is applied. For a piezoelectric actuator, for example, during normal operation (later in the field), the same electrical connection used to apply the operating signal to the piezoelectric actuator applies the manufacturing signal during manufacturing or production Can be used to

以下に、屈曲トランスデューサの実施例を含むマイクロ・ポンプの実施例が記載されており、屈曲トランスデューサの膜はポンプ膜を形成する。   In the following, an embodiment of a micro pump including an embodiment of a bending transducer is described, the membrane of the bending transducer forming a pump membrane.

図1Bおよび図1Cは、ポンプ膜110、ポンプ本体120および受動的な入口チェックバルブ130および受動的な出口チェックバルブ140を含むマイクロ・ポンプの実施例の断面図解図を示す。図1Bは、第1の膨らんだ位置の第1実施例の断面図を示す。図1Cは、第2のより膨らみの少ない位置のマイクロ・ポンプの実施例を示す。図1Bにおいて、第1の膨らんだ位置から第2のより膨らみの少ない位置までポンプ膜を駆動するのに適している駆動手段は作動していない。したがって、駆動手段(また、ドライバまたはアクチュエータ;図1Bにおいて示していない)は、非作動状態、非活性状態、非アクティブ状態または休止状態とも呼ばれ、マイクロ・ポンプおよびポンプ膜のこの位置または状態も、非作動、非活性、非アクティブまたは休止位置または状態と呼ばれることができる。図1Cにおいて、駆動手段(図1Cに示されていない)は、活性化するかまたは作動して、ポンプ膜110を第2の位置に移動している。したがって、駆動手段、ポンプ膜およびマイクロ・ポンプに関して、この状態または位置は、活性または作動した状態または位置と呼ばれることができる。   1B and 1C show cross-sectional schematic illustrations of an embodiment of a micro pump that includes a pump membrane 110, a pump body 120, and a passive inlet check valve 130 and a passive outlet check valve 140. FIG. 1B shows a cross-sectional view of the first embodiment in a first swollen position. FIG. 1C shows a second less bulged micropump embodiment. In FIG. 1B, the drive means suitable for driving the pump membrane from the first bulge position to the second less bulge position is not activated. Accordingly, the drive means (also driver or actuator; not shown in FIG. 1B) is also referred to as inactive, inactive, inactive or dormant, and this position or state of the micro pump and pump membrane is also May be referred to as an inactive, inactive, inactive or resting position or state. In FIG. 1C, the drive means (not shown in FIG. 1C) is activated or activated to move the pump membrane 110 to the second position. Thus, with respect to the drive means, pump membrane and micro pump, this state or position can be referred to as an active or activated state or position.

ポンプ膜110は、第1または上の表面112、および第1の表面112の反対側に配置される第2または下の表面114を有する。ポンプ本体120は、第1または上の表面122、および第1の表面122の反対側に配置される第2または下の表面124を含む。ポンプ膜110は、その周囲においてポンプ本体120に接続され、ポンプチャンバ102は、ポンプ膜110およびポンプ本体120間のスペースまたは容量として定義される。ポンプ本体120は、第1のバルブ130および第2のバルブ140が配置されるという点で、入口126および出口128(ポンプ入口/ポンプ出口)およびポンプ本体の上側、すなわちポンプ膜110に面した側面における空洞を含む。第1のバルブ130および第2のバルブ140は、ポンプチャンバ102に流体接続、例えば直接の流体接続を備えている。   The pump membrane 110 has a first or upper surface 112 and a second or lower surface 114 disposed on the opposite side of the first surface 112. The pump body 120 includes a first or upper surface 122 and a second or lower surface 124 disposed on the opposite side of the first surface 122. The pump membrane 110 is connected to the pump body 120 at its periphery, and the pump chamber 102 is defined as the space or volume between the pump membrane 110 and the pump body 120. The pump body 120 has an inlet 126 and outlet 128 (pump inlet / pump outlet) and the upper side of the pump body, ie the side facing the pump membrane 110, in that the first valve 130 and the second valve 140 are arranged. Including cavities. The first valve 130 and the second valve 140 have a fluid connection, eg, a direct fluid connection, to the pump chamber 102.

図1Bは、マイクロ・ポンプ100の実施例を示し、入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140は、2つの半導体チップ150および160の積み重ね170として設けられ、二重バルブ構造170の上の半導体層またはチップ150は下部の半導体層またはチップ160の上に配置され、上の半導体層150は入口チェックバルブのためのフラップ弁および出口チェックハルブ140のためのバルブシートに提供するように機械的に構築され、下部の半導体層160は入口チェックバルブのためのバルブシートおよび出口チェックバルブの弁フラップを提供するように構築された。第1および/または第2の半導体層150および160は、シリコンまたは他の半導体物質を含むことができる。この種の層状のバルブ構造に関する詳細は、例えば、米国特許6,261,066B1に記載されている。他の実施例は、他の入口および出口バルブ、例えば能動的な入口または出口バルブを含むことができ、半導体物質以外の材料、例えば金属またはポリマーから成ることができる。   FIG. 1B shows an embodiment of the micro pump 100 where the inlet check valve 130 and the outlet check valve 140 are provided as a stack 170 of two semiconductor chips 150 and 160, and the semiconductor layer on the double valve structure 170 or The chip 150 is disposed on the lower semiconductor layer or chip 160, and the upper semiconductor layer 150 is mechanically constructed to provide a flap valve for the inlet check valve and a valve seat for the outlet check valve 140. The lower semiconductor layer 160 was constructed to provide a valve seat for the inlet check valve and a valve flap for the outlet check valve. The first and / or second semiconductor layers 150 and 160 may include silicon or other semiconductor material. Details regarding this type of layered valve structure are described, for example, in US Pat. No. 6,261,066B1. Other embodiments can include other inlet and outlet valves, such as active inlet or outlet valves, and can be composed of materials other than semiconductor materials, such as metals or polymers.

図1Bおよび1Cから分かるように、ポンプ本体120の第1の表面122は平面であり、入口および出口のチェックバルブ130、140の上側表面、または、換言すれば、ポンプ膜110に面している上側層150の上側表面152も平面であり、図1Bの垂直配向に関して第1の表面122と同じ高さレベルの状態にある。(表面152、122によって定義される)この共通面の下で、入口チェックバルブ130は空洞132、例えば上下の層150、160の範囲内の空洞を含み、出口チェックバルブ140は、例えば上側層150の範囲内に空洞142を含み、それらは「バルブ坑」132および142とも呼ばれる。   As can be seen from FIGS. 1B and 1C, the first surface 122 of the pump body 120 is planar and faces the upper surface of the inlet and outlet check valves 130, 140, or in other words, the pump membrane 110. The upper surface 152 of the upper layer 150 is also planar and is at the same height level as the first surface 122 with respect to the vertical orientation of FIG. 1B. Under this common plane (defined by surfaces 152, 122), the inlet check valve 130 includes a cavity 132, eg, a cavity within the upper and lower layers 150, 160, and the outlet check valve 140, eg, the upper layer 150. , And are also referred to as “valve wells” 132 and 142.

図1Bおよび1Cには、挿入された二重バルブ構造170を有するポンプ本体120を示しているが、マイクロ・ポンプの他の実施例は、ポンプの範囲内で直接構築されるバルブ構造130および140を含み、または、換言すれば、ポンプ本体120の材料に直接構築されたバルブ構造130および140を含む。   1B and 1C show a pump body 120 having a dual valve structure 170 inserted, other embodiments of micro pumps are valve structures 130 and 140 constructed directly within the pump. Or, in other words, valve structures 130 and 140 constructed directly in the material of the pump body 120.

他の実施例において、バルブ構造170の上側表面152は、すでにポンプ本体120を形成している(例えば図4A−4Fおよび5A−5Bを参照)。   In other embodiments, the upper surface 152 of the valve structure 170 already forms the pump body 120 (see, eg, FIGS. 4A-4F and 5A-5B).

以下において、ポンプ本体120の表面122および入口および出口チェックバルブ130および140の上側表面152は、一緒に、ポンプ本体の第1の表面、または、ポンプチャンバ床とも呼ばれる。このように、図1Bおよび1Cによるマイクロ・ポンプ100は、基本的に平面の第1の表面122または基本的に平面のポンプチャンバ床、すなわちバルブ坑の空洞132および142以外の平面である第1の表面を含む。   In the following, the surface 122 of the pump body 120 and the upper surface 152 of the inlet and outlet check valves 130 and 140 are also referred to together as the first surface of the pump body or the pump chamber floor. Thus, the micropump 100 according to FIGS. 1B and 1C has a first surface that is essentially a planar first surface 122 or a basically planar pump chamber floor, ie, a plane other than the valve well cavities 132 and 142. Including the surface.

この前後関係の範囲内で、ポンプチャンバ102の最大容量Vmaxは、(予め膨らんだ状態における)図1Bに示すように、ポンプ本体120とポンプ膜110との間の容量およびバルブ坑132および142の容積を含むことに言及されるべきである。図1Cからさらにわかるように、ポンプ膜110が第2のより膨らみの少ない位置の中で平面形状をとり、ポンプ本体120の第1の表面122に当接する実施例において、最低限の容積または死容積V0はバルブ坑132および142の容積によって基本的に定義される。これらの2つの容積の差は、行程容積ΔV、すなわちΔV=Vmax−V0とも呼ばれる。圧縮比cはc=ΔV/V0として定義されるので、図1B〜1Cによるマイクロ・ポンプの実施例は高い圧縮比を提供する。 Within this context, the maximum capacity Vmax of the pump chamber 102 is the capacity between the pump body 120 and the pump membrane 110 and the valve wells 132 and 142 as shown in FIG. It should be mentioned that it includes volume. As can be further seen from FIG. 1C, in an embodiment where the pump membrane 110 is planar in the second less bulging position and abuts the first surface 122 of the pump body 120, the minimum volume or death The volume V 0 is basically defined by the volume of the valve wells 132 and 142. The difference between these two volumes is also referred to as stroke volume ΔV, ie ΔV = Vmax−V 0 . Since the compression ratio c is defined as c = ΔV / V 0 , the micropump embodiment according to FIGS. 1B-1C provides a high compression ratio.

図1Bから更に見られるように、引用符号Hは、非作動状態のポンプチャンバの高さ、すなわちポンプ本体の表面122およびポンプ膜の中央部104におけるポンプ膜の下面114の間の垂直距離を示す。ポンプチャンバまたはマイクロ・ポンプの直径Dはマイクロ・ポンプの横方向の対向する位置の間の距離によって定義され、そこで、非作動の予め膨らんだ状態において、ポンプ膜110は、一般的に、ポンプ膜110がポンプ本体120にその外周で接続される位置と一致するポンプ本体に接触する。   As can be further seen from FIG. 1B, the reference H indicates the height of the pump chamber in the non-actuated state, ie the vertical distance between the pump body surface 122 and the pump membrane lower surface 114 at the pump membrane center 104. . The diameter D of the pump chamber or micropump is defined by the distance between the laterally opposed positions of the micropump, so that in the non-actuated pre-inflated state, the pump membrane 110 is generally a pump membrane. 110 contacts the pump body that matches the position where it is connected to the pump body 120 at its outer periphery.

ポンプチャンバ102は、ポンプ膜110の外周部におけるポンプ膜110とポンプ本体120との間の接続によって、(入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140を除いて)周囲から完全に密封されている。ポンプ膜110の外周部は、角のある形状、任意の点対称の幾何学的形状または他のいかなる形状も有することができる。角のあるおよび点対称の外周部は、それらが動作中の歪曲を回避するため、改良されたポンプ特性を提供する。   The pump chamber 102 is completely sealed from the surroundings (except for the inlet check valve 130 and the outlet check valve 140) by a connection between the pump membrane 110 and the pump body 120 at the outer periphery of the pump membrane 110. The outer periphery of the pump membrane 110 can have an angular shape, any point-symmetric geometry, or any other shape. Angular and point-symmetric perimeters provide improved pumping characteristics because they avoid distortion during operation.

図1Dは、第2の平面状態から第1の予め膨らんだ状態へ移動するとき(矢印Aを参照)の初期の中間状態110´におけるポンプ膜110の断面図解図を示す。駆動手段がもう作動しないときに、ポンプ膜110は予め膨らんだ状態を再びとり始める。ポンプ膜110の上方への動きは、例えば、図1Dに示されるように、ポンプ膜の中央部104において小さい膨らみを形成するところから始まり、それが高さを増加させ(矢印A参照)、横方向に広がり(矢印B参照)、最終的に、図1Bに示すように、完全に予め膨らんだ位置に至る。マイクロ・ポンプの典型的課題は、一旦それがポンプ本体120に当接すると、ポンプ膜110がポンプ本体120に貼り付く傾向があるということである。ポンプ膜110に対向して下方に存在する入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140の配置は、これらのバルブによって形成されるポンプ坑により、この付着効果を低減する。更なる実施例は、膜の中央部およびポンプ本体120の対応する中央部から延びる中心領域126に配置される入口バルブ130および出口チェックバルブ140を含む。図1Dから分かるように、対応するバルブ坑を含む入口チェックバルブおよび出口チェックバルブのこのような中心配置は、図1Dに示すように、最初の膨らんだ形状110´をより簡単につくり、更に粘着効果を低減する。中心領域126の直径は、ポンプチャンバ102の直径Dの70%未満、直径Dの50%未満または30%未満の範囲にすることができる。   FIG. 1D shows a cross-sectional schematic view of the pump membrane 110 in the initial intermediate state 110 ′ when moving from the second planar state to the first pre-inflated state (see arrow A). When the drive means no longer operates, the pump membrane 110 begins to take on the pre-inflated state again. The upward movement of the pump membrane 110 begins, for example, by forming a small bulge in the central portion 104 of the pump membrane, as shown in FIG. 1D, which increases the height (see arrow A) and It spreads in the direction (see arrow B) and finally reaches a fully pre-swollen position as shown in FIG. 1B. A typical problem with a micro pump is that the pump membrane 110 tends to stick to the pump body 120 once it abuts the pump body 120. The arrangement of the inlet check valve 130 and the outlet check valve 140 existing below the pump membrane 110 reduces this adhesion effect due to the pump well formed by these valves. Further embodiments include an inlet valve 130 and an outlet check valve 140 disposed in a central region 126 extending from the central portion of the membrane and the corresponding central portion of the pump body 120. As can be seen from FIG. 1D, such a central arrangement of the inlet and outlet check valves, including the corresponding valve wells, makes it easier to create the initial bulge shape 110 ′ and further adhere as shown in FIG. 1D. Reduce the effect. The diameter of the central region 126 can range from less than 70% of the diameter D of the pump chamber 102, less than 50% or less than 30% of the diameter D.

例えば図1Bに示すような第1の予め膨らんだ位置および図1Cに示すような平面状の第2の位置の間でポンプ膜110を動かすマイクロ・ポンプの実施例のために、ポンプチャンバ102の高さHは、ストローク距離またはストローク高さを表す。   For example, for a micro-pump embodiment that moves the pump membrane 110 between a first pre-inflated position as shown in FIG. 1B and a planar second position as shown in FIG. The height H represents a stroke distance or a stroke height.

ポンプチャンバ容量Vmaxおよび行程容積ΔVは、ポンプチャンバの直径Dおよび/またはストローク高さHを増加させることによって増加させることができる。後述するように、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例は、大きい直径D、高いストローク高さH、およびストローク高さHとポンプチャンバの直径Dの間の高い比率を有するマイクロ・ポンプの製造を可能にする。   Pump chamber volume Vmax and stroke volume ΔV can be increased by increasing pump chamber diameter D and / or stroke height H. As will be described below, an embodiment of a method of manufacturing a micro pump is the manufacture of a micro pump having a large diameter D, a high stroke height H, and a high ratio between the stroke height H and the pump chamber diameter D. Enable.

一般的に、マイクロ・ポンプの、または、屈曲トランスデューサの実施例およびマイクロ・ポンプの製造方法は、例えば、動作信号または活性化信号とも呼ばれる特定の駆動信号または製造信号がそれに対して適用されるときに、横に縮むように構成されたモノモルフ圧電素子、多層圧電素子または圧電スタック素子または他の任意の駆動手段などのような一つ以上の圧電駆動手段を含む。これらの駆動信号は、駆動手段を駆動するのに適している(例えば圧電性駆動手段のための)駆動電圧、駆動電流または他の任意の物理的手段でありえる。同じことは、製造信号にあてはまる。   In general, micro-pump or flexure transducer embodiments and micro-pump manufacturing methods are used, for example, when specific drive signals or manufacturing signals, also referred to as operating or activation signals, are applied thereto. One or more piezoelectric drive means, such as a monomorph piezoelectric element, multilayer piezoelectric element or piezoelectric stack element or any other drive means configured to contract laterally. These drive signals can be drive voltages, drive currents or any other physical means suitable for driving the drive means (eg for piezoelectric drive means). The same applies to manufacturing signals.

図2Aおよび図2Bは、ポンプ膜110の上面112に接続された圧電駆動素子210を含むマイクロ・ポンプ200の実施例の断面図解図を示す。図2Aは、図1Bに類似していて、第1の予め膨らんだ位置におけるポンプ膜110を有するマイクロ・ポンプを示し、図2Bは、第2の膨らみが少ない位置、この場合においては平面位置にあるマイクロ・ポンプを示す。圧電駆動素子210は、圧電駆動素子210の第1の表面212(上側または上部の表面)上の上部電極および圧電駆動素子210の第2の表面(下側または底部の表面)上の下部電極を含み、第2の表面214は、圧電駆動素子210の対向する主表面(電極は図示せず)に配置される。圧電駆動素子210の上側電極は、第1の接点216に電気的に接続され、圧電駆動素子210の下側電極は、例えば少なくともポンプ膜の表面112の一部に配置される導電塗装膜を介して、マイクロ・ポンプの第2の接点218に電気的に接続される。圧電駆動素子210は、例えば、接着剤または他の接着技術を介してポンプ膜110に接着される。正の電圧が上側電極216と下側電極218との間、それぞれ第1の接点216および第2が218の間に印加されたときに、圧電駆動素子が横方向に縮小して、予め膨らんだポンプ膜110がポンプ本体120側に下がるように、圧電駆動素子は分極される。図2Aにおいては、無電圧(U=0)が、電気接点216、218に印加されている。換言すれば、圧電駆動素子は活性化されておらず、予め膨らんだポンプ膜110はその予め膨らんだ位置を示している。図2Bにおいては、正の電圧、例えばU=UMAXが印加されて、ポンプ膜110が平面ポンプ本体120に向かって下がるように曲がり、それに当接している。 2A and 2B show cross-sectional schematic views of an embodiment of a micro pump 200 that includes a piezoelectric drive element 210 connected to the top surface 112 of the pump membrane 110. FIG. 2A is similar to FIG. 1B and shows a micro pump having the pump membrane 110 in a first pre-bulge position, and FIG. 2B is in a position where the second bulge is low, in this case a planar position. Indicates a micro pump. The piezoelectric drive element 210 includes an upper electrode on the first surface 212 (upper or upper surface) of the piezoelectric drive element 210 and a lower electrode on the second surface (lower or bottom surface) of the piezoelectric drive element 210. In addition, the second surface 214 is disposed on the opposing main surface (electrodes not shown) of the piezoelectric driving element 210. The upper electrode of the piezoelectric driving element 210 is electrically connected to the first contact 216, and the lower electrode of the piezoelectric driving element 210 is interposed, for example, through a conductive coating film disposed at least on a part of the surface 112 of the pump film. And electrically connected to the second contact 218 of the micro pump. The piezoelectric drive element 210 is bonded to the pump membrane 110 via, for example, an adhesive or other bonding technique. When a positive voltage is applied between the upper electrode 216 and the lower electrode 218, and between the first contact 216 and the second 218, respectively, the piezoelectric drive element contracts laterally and swells in advance The piezoelectric drive element is polarized so that the pump membrane 110 is lowered to the pump body 120 side. In FIG. 2A, no voltage (U = 0) is applied to the electrical contacts 216, 218. In other words, the piezoelectric drive element is not activated, and the pre-expanded pump membrane 110 indicates its pre-expanded position. In FIG. 2B, a positive voltage, for example U = U MAX, is applied and the pump membrane 110 is bent down against the planar pump body 120 and is in contact therewith.

マイクロ・ポンプの好ましい実施例は、ポンプ膜または駆動膜が基本的に平らなポンプチャンバ床、または上方向においてポンプ膜の予め膨らんだ高さHより小さい低い部分を有するポンプチャンバ床に密着するという考えに基づき、ポンプ膜は上方に予め膨らみ、バルブユニット170、例えばバルブ構造130、140はポンプチャンバ床の中に形成される。ポンプ膜がポンプチャンバ床に密着する(図1Cおよび2Bを参照)ように、変形されたか予め変形された(すなわち予め膨らんだ)膜はポンプチャンバ床の向きに変形されるかまたは移動することができる。死容積Voは、このようにバルブ坑132、142の残留する死容積によって、基本的に定義されるだけである。   The preferred embodiment of the micropump is that the pump membrane or drive membrane is in close contact with the essentially flat pump chamber floor or the pump chamber floor with a lower portion lower than the pre-inflated height H of the pump membrane in the upward direction. Based on the idea, the pump membrane is pre-inflated upward and a valve unit 170, eg, valve structure 130, 140, is formed in the pump chamber floor. The deformed or pre-deformed (ie, pre-inflated) membrane may be deformed or moved toward the pump chamber floor so that the pump membrane is in close contact with the pump chamber floor (see FIGS. 1C and 2B). it can. The dead volume Vo is thus basically only defined by the remaining dead volume of the valve wells 132, 142.

図2Aおよび2Bに基づいて述べられるように、第1の予め膨らんだ位置から第2の平面位置へのポンプ膜110の動きは、正の電圧が印加されるときに横向きに収縮し、電圧が印加されていないときに横向きに緩和し、負の電圧が印加されるときに緩和した状態の横向きの長さまたは寸法を超えて伸びるさまざまな方法、例えば、ポンプ膜の上に接着された圧電セラミック210または例えば圧電性スタック・アクチュエータなどの他のピエゾ駆動を介して成し遂げられることができる。   As described on the basis of FIGS. 2A and 2B, the movement of the pump membrane 110 from the first pre-inflated position to the second planar position contracts laterally when a positive voltage is applied, and the voltage is Various methods that relax laterally when not applied and extend beyond the lateral length or dimensions of the relaxed state when a negative voltage is applied, for example, piezoceramic bonded onto a pump membrane 210 or other piezo drive such as a piezoelectric stack actuator can be achieved.

更なる実施例において、下方に変形するポンプ膜上への力の放出は、ポンプ膜に永久に結合される圧電スタック・アクチュエータを介して適用される。   In a further embodiment, the release of force onto the downwardly deforming pump membrane is applied via a piezoelectric stack actuator that is permanently coupled to the pump membrane.

たとえば、米国特許第6,261,066B1に関するシリコン超小型弁のバルブ坑は、例えば、約360ナノリットル(0.36マイクロリットル)の残留する死容積を有する。30mmの直径Dを有する、米国特許第6,261,066B1に関するマイクロ・ポンプのポンプ膜の膨らんだ形状と類似の予め膨らんだ形状を有するポンプ膜は、約22マイクロリットルの行程容積を生成することができる。したがって、圧縮比cは、22/0.36=61である。この圧縮比は、0.1〜1.0の範囲内にある周知のマイクロ・ポンプの圧縮比より数倍高い。最適化を通して、上述したシリコン・マイクロ・ポンプのバルブがそれらの死容積に関して更に最適化されることができるので、圧縮比は更に増加させることができる。このように、例えば、約50ナノリットルの残留する死容積を有するシリコンバルブを製造することは可能である。ポンプチャンバを増加させることによって、例えば、行程容積は、50マイクロリットルに増やすことができる。このように、50マイクロリットル/50ナノリットル=1000の圧縮比が達成されることができる。対応して強く必要な大きさにされたピエゾ駆動と組み合わせて、真空状態に近い高い陰圧をつくるか、数百バールの非常に大きい陽圧をつくるかのいずれかが可能なマイクロ・ポンプを得ることができる。   For example, a silicon microvalve valve well with respect to US Pat. No. 6,261,066B1 has a residual dead volume of, for example, about 360 nanoliters (0.36 microliters). A pump membrane having a pre-bulge shape similar to the bulge shape of a micro-pump pump membrane with respect to US Pat. No. 6,261,066B1, having a diameter D of 30 mm, produces a stroke volume of about 22 microliters. Can do. Therefore, the compression ratio c is 22 / 0.36 = 61. This compression ratio is several times higher than the compression ratio of known micro pumps in the range of 0.1 to 1.0. Through optimization, the compression ratio can be further increased since the silicon micro-pump valves described above can be further optimized with respect to their dead volume. Thus, for example, it is possible to produce a silicon valve having a remaining dead volume of about 50 nanoliters. By increasing the pump chamber, for example, the stroke volume can be increased to 50 microliters. Thus, a compression ratio of 50 microliters / 50 nanoliters = 1000 can be achieved. In combination with a piezo drive that is correspondingly strongly sized, a micro pump capable of producing a high negative pressure close to a vacuum or a very high positive pressure of several hundred bars. Can be obtained.

以下に、発明のマイクロ・ポンプ製造実施例の方法の実施例が説明される。   In the following, an embodiment of the method of the micropump manufacturing embodiment of the invention will be described.

図1Aに従って方法と結び付けられるマイクロ・ポンプの製造方法の実施例が、図3Aおよび3Bに基づいて説明される。実施例によれば、例えば圧電駆動手段などの駆動手段はポンプ膜の上に接合され、ポンプ膜は圧電駆動手段およびポンプ膜の異なる温度膨張係数のため予め膨らんでいる。ポンプ膜110は、例えば、入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140を含むポンプ本体120上にすでに接合されている。ポンプチャンバ床は、例えば図3Aに示すように、平面にすることができ、または、図3Aに示すように、少なくとも基本的に平面にすることができ、ポンプ膜はポンプ本体に平面状に接合されることができる。ポンプ本体およびポンプ膜を含む上述のような構造に加えて、例えば圧電駆動手段などのような駆動手段が提供され、圧電駆動手段210およびポンプ膜110の間に設けられた接着剤320の層を有するポンプ膜110の上に配置される。接着剤320は、例えば、圧電駆動手段の下面上、または、ポンプ膜の上面上に置くことができる。圧電駆動手段は、例えば、接着剤を等しく分布させて薄い接着剤層320を達成するために、シリコン・スタンプを用いて、所定の製造圧力でポンプ膜上に押圧される。接着剤は、製造または接合温度Tproductionで硬化される。 An embodiment of a method of manufacturing a micro pump associated with the method according to FIG. 1A will be described based on FIGS. 3A and 3B. According to an embodiment, the driving means, for example a piezoelectric driving means, are bonded on the pump membrane, and the pump membrane is pre-expanded due to the different temperature expansion coefficients of the piezoelectric driving means and the pump membrane. The pump membrane 110 is already bonded onto the pump body 120 including, for example, the inlet check valve 130 and the outlet check valve 140. The pump chamber floor can be flat, for example as shown in FIG. 3A, or at least essentially flat, as shown in FIG. 3A, and the pump membrane can be joined flat to the pump body. Can be done. In addition to the structure as described above including the pump body and the pump membrane, a driving means such as a piezoelectric driving means is provided, and a layer of adhesive 320 provided between the piezoelectric driving means 210 and the pump film 110 is provided. It is disposed on the pump membrane 110 having the same. The adhesive 320 can be placed, for example, on the lower surface of the piezoelectric drive means or on the upper surface of the pump membrane. The piezoelectric drive means is pressed onto the pump membrane with a predetermined manufacturing pressure using, for example, a silicon stamp to achieve a thin adhesive layer 320 with an even distribution of adhesive. The adhesive is cured at the manufacturing or joining temperature T production .

圧電駆動手段210がポンプ膜110の上に載置される前に、または、圧電駆動手段が(接着剤を含めて)ポンプ膜110の上に配置された後に、ポンプ本体120、ポンプ膜110および圧電駆動手段210の加熱を開始することができるが、接着剤の硬化は製造温度Tproductionで実行される。 Before the piezoelectric drive means 210 is placed on the pump membrane 110 or after the piezoelectric drive means (including the adhesive) is placed on the pump membrane 110, the pump body 120, the pump membrane 110 and The heating of the piezoelectric driving means 210 can be started, but the curing of the adhesive is carried out at the production temperature T production .

ポンプの接着剤の硬化の後、(ポンプ本体、ポンプ膜および圧電駆動手段を含む)デバイスはクールダウンされる。圧電駆動素子(すなわち、圧電駆動素子が含んでいるかまたはそれから成る材料)、例えば圧電セラミックの温度膨張係数αpiezoがポンプ膜(すなわち、ポンプ膜が含んでいるかまたはそれから成る材料)の温度膨張係数αmembraneより小さいので、ポンプ膜の収縮はポンプ膜の上に接着された圧電駆動手段の収縮より大きく、それ故に、ポンプ膜および圧電駆動手段を含む駆動装置は(圧電駆動手段が作動しないときに)上方に膨らむ。 After curing of the pump adhesive, the device (including pump body, pump membrane and piezoelectric drive means) is cooled down. The piezoelectric driving element (i.e., a material consisting of either or contains piezoelectric drive element), for example, a temperature expansion coefficient of the piezoelectric ceramic of the temperature expansion coefficient alpha piezo pump membrane (i.e., to or from the consisting material pump membrane contains) alpha is smaller than the membrane, (when the piezoelectric drive means is not operated) shrinkage of the pump membrane is greater than the shrinkage of the bonded piezoelectric drive means on the pump membrane, therefore, the driving device comprising a pump membrane and the piezoelectric drive means Swells upward.

マイクロ・ポンプを生産する方法の実施例によるマイクロ・ポンプは、ポンプ膜材料として、例えば20℃において10〜25×10-6/Kの範囲の温度膨張係数を有する金属または金属合金、例えば20℃において10〜250×10-6/Kの範囲の温度膨張係数を有する合成材料および/またはポリマー、および、例えば20℃において2〜7×10-6/Kの範囲の温度膨張係数を有する圧電セラミックなどの圧電駆動手段を有するポンプ膜を含むことができる。 A micro pump according to an embodiment of a method for producing a micro pump is a pump or membrane material, for example a metal or metal alloy having a temperature expansion coefficient in the range of 10-25 × 10 −6 / K at 20 ° C., for example 20 ° C. Materials and / or polymers having a temperature expansion coefficient in the range of 10 to 250 × 10 −6 / K, and a piezoelectric ceramic having a temperature expansion coefficient in the range of 2 to 7 × 10 −6 / K, for example at 20 ° C. A pump membrane having piezoelectric driving means such as can be included.

ポンプ膜の温度膨張係数は、駆動手段の温度膨張係数より5倍以上または10倍以上高くすることができる。前述のポンプ膜の温度膨張係数および駆動手段の温度膨張係数の間の比率が高いほど、ポンプ膜110が予め膨らむ程度が大きくなり、したがって、高さH、ストローク高さH、行程容積ΔVが大きくなり、最終的に、圧縮率が高くなる。   The temperature expansion coefficient of the pump membrane can be 5 times or more or 10 times higher than the temperature expansion coefficient of the driving means. The higher the ratio between the temperature expansion coefficient of the pump membrane and the temperature expansion coefficient of the driving means, the greater the extent to which the pump membrane 110 swells in advance, thus increasing the height H, stroke height H, and stroke volume ΔV. Eventually, the compression ratio increases.

膜110に対する圧電性セラミック210の接合および製造温度における接着剤の硬化は、(上述したように)ポンプ膜がポンプ本体に接合されたあと、または、ポンプ本体に対する膜の接合が実行される前に実行されることができる。   Bonding of the piezoelectric ceramic 210 to the membrane 110 and curing of the adhesive at the manufacturing temperature may occur after the pump membrane is bonded to the pump body (as described above) or before the bonding of the membrane to the pump body is performed. Can be executed.

図3Aは、ポンプ膜110の上面への圧電セラミック210の接合、シリコーン・スタンプ310を介した図3Aにおける製造圧力(矢印312を参照)の適用、および製造温度Tproductionにおける接着剤320の硬化を示す。図3Bは、ポンプがクールダウンされた後、異なる温度膨張係数のため予め膨らんだ形状の予め膨らんだ膜110を示す(接着剤は図3Bに図示せず)。 3A illustrates the bonding of the piezoelectric ceramic 210 to the top surface of the pump membrane 110, the application of the manufacturing pressure in FIG. 3A (see arrow 312) via the silicone stamp 310, and the curing of the adhesive 320 at the manufacturing temperature T production . Show. FIG. 3B shows a pre-expanded membrane 110 in a pre-expanded shape due to a different temperature expansion coefficient after the pump has cooled down (adhesive not shown in FIG. 3B).

図1Aに示すマイクロ・ポンプの製造方法の実施例は、図4A〜4Fに基づいて説明される。図4A〜4Fは、予め膨らんだポンプ膜を有するマイクロ・ポンプの製造の断面図解図を示し、例えば図1Bを用いた文脈において示されるように、2層弁構造170はポンプ本体120を形成し、ポンプ膜は構造化されたおよび薄い第3の層410として設けられている。   An embodiment of a method for manufacturing the micro pump shown in FIG. 1A will be described with reference to FIGS. 4A-4F show cross-sectional schematics of the fabrication of a micro pump with a pre-expanded pump membrane, for example, the two-layer valve structure 170 forms the pump body 120 as shown in the context using FIG. 1B. The pump membrane is provided as a structured and thin third layer 410.

図4Aから分かるように、第3の層410は、柔軟なポンプ膜110を提供するために、その上側または第1の表面412の中心領域において薄くなる。さらに、図4Aから分かるように、第3の層410は、例えば中心領域の直径Dより大きい直径を有する更なる中心部分または領域において、第1の表面412に対向するように配置された下側のまたは第2の表面414上でわずかに薄くなっている。ポンプチャンバ102がポンプ本体およびポンプ膜の間に規定されるように、ポンプ膜110、第3の層410およびポンプ本体170はそれぞれ互いに接続されている。   As can be seen from FIG. 4A, the third layer 410 is thinned on its upper side or in the central region of the first surface 412 to provide a flexible pump membrane 110. Furthermore, as can be seen from FIG. 4A, the third layer 410 is a lower side arranged to face the first surface 412, for example in a further central part or region having a diameter greater than the diameter D of the central region. Or slightly thinner on the second surface 414. The pump membrane 110, the third layer 410, and the pump body 170 are each connected to each other so that the pump chamber 102 is defined between the pump body and the pump membrane.

更なる実施例において、第3の層は、平らな第2のまたは下側の表面414を含み(すなわち、ポンプチャンバの中心領域においてキャビティがない、または、換言すれば、第3の層の下面の周囲におけるスペーサ構造またはポンプ本体の上面における同等なスペース構造がない)、その結果、予め膨らんだ構造が実行される前に、ポンプ膜110はポンプ本体の中心部分において上側表面またはポンプチャンバ床に当接する。このような実施例の残りの死容積は、バルブ坑132および142によって基本的に定義されるだけである。   In a further embodiment, the third layer includes a flat second or lower surface 414 (ie, no cavities in the central region of the pump chamber, or in other words, the lower surface of the third layer). As a result, the pump membrane 110 is placed on the upper surface or pump chamber floor in the central portion of the pump body before the pre-bulge structure is implemented. Abut. The remaining dead volume of such an embodiment is only basically defined by the valve wells 132 and 142.

このような積層ポンプ構造の製造は、例えば米国特許明細書US6,261,066に記載されている。3つの層150、160および410は、例えば、半導体物質、例えばシリコンまたはその他の材料から成る。   The manufacture of such a laminated pump structure is described, for example, in US Pat. No. 6,261,066. The three layers 150, 160 and 410 are made of, for example, a semiconductor material, such as silicon or other material.

換言すれば、図4Aには、予め膨らんだ構造の前の、そして、膜に圧電性セラミックを接着する前のマイクロ・ポンプが示されている。   In other words, FIG. 4A shows the micro pump before the pre-inflated structure and before bonding the piezoelectric ceramic to the membrane.

図4Bにおいて、その下面に接着剤320の層を有する圧電セラミック210は、膜110の上面412上に配置される。   In FIG. 4B, a piezoelectric ceramic 210 having a layer of adhesive 320 on its lower surface is disposed on the upper surface 412 of the film 110.

図4Cは、圧電セラミックおよびポンプ膜の間の膜110および接着剤320の層に配置される圧電性セラミック210を有するマイクロ・ポンプ構造を示す。   FIG. 4C shows a micro pump structure having a piezoelectric ceramic 210 disposed in a layer of film 110 and adhesive 320 between the piezoelectric ceramic and the pump film.

図4Dにおいて、例えば、圧電セラミック210は、シリコーン・スタンプ310を使用して、ポンプ膜110上に所定の製造圧力で押圧される。製造圧力は、接着剤320が好ましくは基本的に均等に圧電性セラミックおよびポンプ膜の接合表面に分布させるものであって、膜の上面の導電層および圧電性セラミックの下部電極との間にピーク接点をつくって、両方を電気的に接続するのに十分小さい接着剤層厚さを提供する。ピーク接点を得るために、圧電性駆動手段をポンプ膜に結合するために絶縁性あるいは非導電性接着剤を使用することができるが、まだ電気的に圧電駆動手段の下側電極を接続している。図4Cおよび4Dによって表されるステップにおいて、接着剤はまだ硬化されていないことを示しておくべきである。   In FIG. 4D, for example, the piezoelectric ceramic 210 is pressed onto the pump membrane 110 at a predetermined manufacturing pressure using a silicone stamp 310. The manufacturing pressure is such that the adhesive 320 is preferably evenly distributed on the bonding surface of the piezoelectric ceramic and the pump membrane essentially uniformly and peaks between the conductive layer on the top surface of the membrane and the lower electrode of the piezoelectric ceramic. Contacts are made to provide an adhesive layer thickness that is small enough to electrically connect both. In order to obtain a peak contact, an insulating or non-conductive adhesive can be used to couple the piezoelectric drive means to the pump membrane, but still electrically connect the lower electrode of the piezoelectric drive means Yes. In the step represented by FIGS. 4C and 4D, it should be shown that the adhesive has not yet been cured.

図4Eにおいて、圧電駆動手段が収縮するように、製造電圧Uproductionが圧電駆動手段210(例えば圧電セラミックまたは圧電スタック・アクチュエータ)に適用される。圧電駆動手段の収縮の後、製造電圧Uproductionを適用して、更にシリコン・スタンプ310を介して製造圧力を維持したまま、接着剤は硬化される。 In FIG. 4E, a manufacturing voltage U production is applied to the piezoelectric drive means 210 (eg, a piezoelectric ceramic or a piezoelectric stack actuator) so that the piezoelectric drive means contracts. After contraction of the piezoelectric drive means, the adhesive is cured while applying the manufacturing voltage U production and further maintaining the manufacturing pressure via the silicon stamp 310.

接着剤が硬化した後、製造電圧および圧力は開放される。   After the adhesive is cured, the production voltage and pressure are released.

換言すれば、圧電セラミックはポンプ膜上に接着され、接着剤の硬化の間、正の製造電圧Uproductionが圧電駆動素子に適用される。したがって、圧電駆動手段セラミックは収縮し、収縮した状態で膜に接着される。接着剤が硬化した後、製造電圧は開放されるだけである。 In other words, the piezoceramic is glued onto the pump membrane and a positive production voltage U production is applied to the piezoelectric drive element during the curing of the adhesive. Therefore, the piezoelectric drive means ceramic shrinks and adheres to the membrane in a contracted state. The production voltage is only released after the adhesive is cured.

電圧が開放されたあと、圧電セラミックは再度緩和されるか伸ばされ、図4Fに示すように(接着剤は図4Fに図示せず)、駆動装置(すなわち、ポンプ膜および圧電セラミック)を予め膨らませる。   After the voltage is released, the piezoceramic is relaxed or stretched again to pre-inflate the drive (ie pump membrane and piezoceramic) as shown in FIG. 4F (adhesive not shown in FIG. 4F). The

このように、図4Aのポンプ構造は、プレストレスを与えられたか予め膨らんだ膜またはダイアフラムを含むように変形された。ポンプチャンバ容積および死容積に応じて、説明されたように、このような実施例は高い圧縮比を達成することができる。   Thus, the pump structure of FIG. 4A was modified to include a prestressed or pre-inflated membrane or diaphragm. Depending on the pump chamber volume and dead volume, as described, such an embodiment can achieve a high compression ratio.

マイクロ・ポンプの製造方法の実施例がポンプ本体170にすでに接着された膜410に関して記載されたが、別の実施例において、ポンプ膜または第3の層がポンプ本体に接合される前に、予め与えられる膨らみ(すなわち、圧電セラミックの位置決めおよび製造電圧の下での接着剤の硬化)が実行されることもできる。   Although an embodiment of a micro-pump manufacturing method has been described with respect to the membrane 410 already adhered to the pump body 170, in another embodiment, before the pump membrane or third layer is bonded to the pump body, A given bulge (ie positioning of the piezoelectric ceramic and curing of the adhesive under the production voltage) can also be performed.

図5Aは、図4A〜4Fによる方法によって作製されるマイクロ・ポンプの断面図解図を示す。図5Aは、非作動状態(U=0V)で予め膨らんだ膜110を有するマイクロ・ポンプを示す。図5Bは、作動した状態における図5Aのマイクロ・ポンプを示し、ポンプ膜110は基本的に平らな形状を有する。ポンプ膜110は、逆圧または背圧が適用されない場合においては、製造電圧Uproduction、例えば300Vに等しい動作電圧Uを適用することによって、第2の平面位置へ移動する。逆圧が適用される場合、出力チェックバルブ140が開いて、ポンプチャンバ内の流体がマイクロ・ポンプからポンプで送り出されることができる必要な閾値圧力差を克服するためにポンプチャンバの中で充分な圧力をつくるために、駆動または動作電圧Uは製造電圧Uproductionより高い電圧値に増やされることができる。 FIG. 5A shows a cross-sectional schematic view of a micro pump made by the method according to FIGS. FIG. 5A shows a micro pump having a membrane 110 pre-inflated in a non-actuated state (U = 0V). FIG. 5B shows the micropump of FIG. 5A in an activated state, where the pump membrane 110 has a basically flat shape. The pump membrane 110 is moved to the second planar position by applying an operating voltage U equal to the production voltage U production , for example 300V, when no back pressure or back pressure is applied. When back pressure is applied, the output check valve 140 opens and is sufficient in the pump chamber to overcome the necessary threshold pressure differential that allows fluid in the pump chamber to be pumped out of the micro pump. In order to create pressure, the drive or operating voltage U can be increased to a voltage value higher than the production voltage U production .

前述したように、図4A〜4Fに基づいて説明された方法は、図3Aおよび3Bに基づいて説明された方法と組み合わせることができ、マイクロ・ポンプの更なる製造方法を提供し、ポンプ膜の予め与えられた膨らみを達成することもできる。   As previously mentioned, the method described on the basis of FIGS. 4A-4F can be combined with the method described on the basis of FIGS. 3A and 3B, providing a further method of manufacturing a micro pump, A pre-given bulge can also be achieved.

上述した実施例において、異なる熱膨張係数のためおよび/または製造電圧が開放されたあとの圧電駆動手段の復元のため、ポンプ膜は駆動手段によって予め伸ばされる。このように、駆動手段が作動して、ポンプ膜を下に曲げ、例えばポンプ膜が第2の平面位置にあるときに、伸びによるポンプ膜の応力は部分的に、または、完全に開放される。   In the embodiments described above, the pump membrane is pre-stretched by the drive means for different coefficients of thermal expansion and / or for restoring the piezoelectric drive means after the production voltage has been released. Thus, when the drive means is actuated to bend the pump membrane down, for example when the pump membrane is in the second planar position, the stress on the pump membrane due to elongation is partially or fully released. .

例えば、圧電駆動手段、例えば圧電セラミック、すなわち圧電積層体を用いたマイクロ・ポンプの実施例は、静電的または電磁駆動手段と比べて、比較的低い電圧で、大きいストローク力およびストローク長さまたは高さを提供する。   For example, embodiments of micropumps using piezoelectric drive means, such as piezoceramics, ie piezoelectric laminates, have a large stroke force and stroke length, or a relatively low voltage, compared to electrostatic or electromagnetic drive means. Provide height.

ポンプ膜がポンプ本体に当接するときに、ポンプ本体へのポンプ膜の付着効果を減らすかまたは付着を回避するために、例えば、流入チェックバルブまたはそれぞれのバルブ坑から放射状に伸びるように星状に配置された窪みが配置されることができ、または、ポンプチャンバ床またはポンプ膜からポンプチャンバに伸びる小さいハブまたは突起は実施されることができる。   To reduce or avoid the sticking effect of the pump membrane on the pump body when the pump membrane abuts the pump body, for example, in a star shape extending radially from the inflow check valve or the respective valve well Placed depressions can be placed, or small hubs or protrusions that extend from the pump chamber floor or pump membrane to the pump chamber can be implemented.

半導体物質、例えばシリコンでできている流入チェックバルブおよび流出チェックバルブ130および140を含む主にマイクロ・ポンプの実施例が記載されているが、マイクロ・ポンプの他の実施例は、異なる材質、例えばそれらが組み込まれるポンプ本体から独立している金属またはポリマーから成る類似または異なる受動的な流入および流出チェックバルブを含むことができる。   Although primarily micro-pump embodiments have been described that include inflow check valves and outflow check valves 130 and 140 made of semiconductor material, such as silicon, other embodiments of micro-pumps can be made of different materials such as Similar or different passive inflow and outflow check valves made of metal or polymer independent of the pump body in which they are incorporated may be included.

さらにまた、ポンプ本体に一体化または配置された流入チェックバルブおよび流出チェックバルブ130および140を含むマイクロ・ポンプの実施例が示されているが、別の実施例は、例えばポンプ膜とポンプ本体との間に横方向に配置されるバルブを含んでいてもよい。   Furthermore, although an embodiment of a micro-pump is shown that includes an inflow check valve and an outflow check valve 130 and 140 integrated or arranged in the pump body, other embodiments include, for example, a pump membrane and a pump body. A valve disposed laterally may be included.

マイクロ・ポンプの更なる実施例は、例えば、図4A〜5Bに基づいて記載されているように、流入および流出チェックバルブが一体的に形成されているポンプ本体を含むことができる。   Further embodiments of the micro pump can include a pump body in which inflow and outflow check valves are integrally formed, as described, for example, with reference to FIGS.

他の実施例は、鋼、ステンレス鋼またはばねステンレス鋼、合成材料またはポリマーなどのような材料を有する一体的に形成されたバルブ入口およびバルブ出口構造130および140を有するポンプ本体を含み、これらのポンプ本体は、バルブ構造を形成するために、一つまたは複数の層を含む。したがって、マイクロ・ポンプの更なる実施例は、金属、合成材料、ポリマーまたはその積層構造でできているポンプ本体およびポンプ膜を含む。シリコンのポンプ本体およびポンプ膜と比較して、金属またはポリマーでできているポンプ本体およびポンプ膜は、製造においてよりコストが低く、より高い柔軟性を提供して、例えば、低いヤング率を提供する。   Other examples include pump bodies having integrally formed valve inlet and valve outlet structures 130 and 140 having materials such as steel, stainless steel or spring stainless steel, synthetic materials or polymers, etc. The pump body includes one or more layers to form a valve structure. Thus, further examples of micro pumps include pump bodies and pump membranes made of metal, synthetic materials, polymers or laminates thereof. Compared to silicon pump bodies and pump membranes, pump bodies and pump membranes made of metal or polymer are less costly in manufacturing and offer more flexibility, for example, provide a lower Young's modulus .

本発明の他の実施例は、マイクロ・ポンプに駆動膜を提供し、駆動膜は、上方へ予め膨らんだまたは予め変形した位置および基本的に平らな位置との間で移動し、ポンプ本体のポンプ膜に向かって面するように配置された面の一様でない部分は、膜のストローク高さHより小さい。   Another embodiment of the present invention provides a drive membrane for the micropump, which moves between a pre-bulged or pre-deformed position and an essentially flat position, The non-uniform portion of the surface arranged to face towards the pump membrane is smaller than the membrane stroke height H.

このようなマイクロ・ポンプは、上方に向かって予め膨らんだ駆動膜を含む。このような実施例は、駆動膜上に接合された圧電セラミックを含むことができる。   Such a micro pump includes a driving membrane that is pre-expanded upward. Such an embodiment can include a piezoceramic bonded onto the drive membrane.

マイクロ・ポンプのこのような実施例は、圧電積層アクチュエータによって2つの位置の間で移動する膜を含むことができ、膜は、圧電積層アクチュエータに永久に接合される。   Such an embodiment of a micro pump can include a membrane that is moved between two positions by a piezoelectric laminated actuator, the membrane being permanently bonded to the piezoelectric laminated actuator.

以下に、ポンプ膜の形状のいくつかのシミュレーションの結果が、本発明の実施例の更なる態様および/または効果を説明するために議論される。   In the following, the results of some simulations of the pump membrane shape will be discussed to explain further aspects and / or effects of embodiments of the present invention.

ポンプ膜の屈曲形状は、有限要素解析を用いて、シリコン圧電ポンプ(シリコンおよび駆動手段としての圧電駆動手段を含む、または、からなるポンプ膜を有するマイクロ・ポンプ)のために計算された。マイクロ・ポンプの形状のために、辺長6.3mmおよびポンプ膜自体の厚さまたは高さ50mmを有する二次シリコン・ポンプ膜、厚さまたは高さ150mmを有する圧電駆動手段のパラメータが用いられ、圧電駆動手段の辺長の比率は、ポンプ膜の辺長に対して0.8である。屈曲形状は、膜の中心を通る軸に平行してその中心からポンプ膜の縁部まで示される。   The bending shape of the pump membrane was calculated for silicon piezoelectric pumps (micro pumps with or consisting of silicon and piezoelectric drive means as drive means) using finite element analysis. Due to the shape of the micro pump, the parameters of the secondary silicon pump membrane with a side length of 6.3 mm and the thickness or height of the pump membrane itself, the piezoelectric drive means with a thickness or height of 150 mm are used. The ratio of the side length of the piezoelectric driving means is 0.8 with respect to the side length of the pump film. The bent shape is shown from its center to the edge of the pump membrane parallel to an axis through the center of the membrane.

ポンプ膜の屈曲形状は、有限要素解析を用いて、シリコン圧電ポンプ(シリコンおよび駆動手段としての圧電駆動手段を含む、または、からなるポンプ膜を有するマイクロ・ポンプ)のために計算された。マイクロ・ポンプの形状のために、辺長6.3mmおよびポンプ膜自体の厚さまたは高さ50mmを有する二次シリコン・ポンプ膜、厚さまたは高さ150mmを有する圧電駆動手段のパラメータが用いられ、圧電駆動手段の辺長の比率は、ポンプ膜の辺長に対して0.8である。屈曲形状は、膜の中心を通る軸に平行してその中心からポンプ膜の境界まで示される。   The bending shape of the pump membrane was calculated for silicon piezoelectric pumps (micro pumps with or consisting of silicon and piezoelectric drive means as drive means) using finite element analysis. Due to the shape of the micro pump, the parameters of the secondary silicon pump membrane with a side length of 6.3 mm and the thickness or height of the pump membrane itself, the piezoelectric drive means with a thickness or height of 150 mm are used. The ratio of the side length of the piezoelectric driving means is 0.8 with respect to the side length of the pump film. The bent shape is shown from its center to the pump membrane boundary parallel to an axis through the center of the membrane.

異なる特性屈曲形状は、屈曲形状の形成が(1a)使用される材料の異なる温度膨張係数によって生じる熱力学的な緊張だけ、(1b)圧電駆動手段に電界を適用することによる屈曲アクチュエータ効果だけ、(2)圧力(ポンプ膜の上側および下側の間の異なる圧力)の適用の効果だけ、(3)固有の緊張を有する構造酸化被膜による屈曲アクチュエータ効果だけ(構造:同じ位置における圧電駆動手段の代わりに酸化被膜)の場合に起因するケースに対して決定される。   Different characteristic bent shapes are: (1a) only the thermodynamic tension caused by the different temperature expansion coefficients of the materials used, (1b) only the bending actuator effect by applying an electric field to the piezoelectric drive means, (2) only the effect of application of pressure (different pressure between the upper and lower sides of the pump membrane), (3) only the bending actuator effect due to the structural oxide film with inherent tension (structure: of the piezoelectric drive means at the same position) Instead, it is determined for the case due to the case of oxide film).

ケース(1a)および(1b)は、それらの形状を屈曲させている効果および特性に関して同一で、ケース「U/T」として要約される。ケース(2)は「P」と呼ばれ、ケース(3)は「Ox」と呼ばれる。図6において、これらの3つの上述した「純粋なケース」の屈曲形状は、正規化方法、すなわち対応するケースに対する最大屈曲値zoを拡大した高さzおよびシリコン膜の長さxoを拡大した横方向の位置xで示される。図6の線図の下部において、(中心から縁部まで)長さxoを有するポンプ膜120が示され、中心からポンプ膜の長さの0.8の部分までの圧電駆動手段の長さが示される(辺長の比率0.8)。図6において、参照符号610はケースU/Tについて示し、参照符号620はケースPについて示し、参照符号630はケースOxについて示している。図6は、異なる屈曲効果またはケースのためのポンプ膜の半分(中心から縁部まで)のための正規化屈曲形状を示す。   Cases (1a) and (1b) are identical in terms of the effects and characteristics of bending their shape and are summarized as case “U / T”. Case (2) is called “P” and case (3) is called “Ox”. In FIG. 6, these three above-mentioned “pure cases” bend shapes are normalized, that is, a height z that expands the maximum bend value zo for the corresponding case and a width that expands the length xo of the silicon film. It is indicated by a directional position x. In the lower part of the diagram of FIG. 6, a pump membrane 120 having a length xo (from the center to the edge) is shown, the length of the piezoelectric drive means from the center to the portion of the pump membrane length of 0.8. Is shown (side length ratio 0.8). In FIG. 6, reference numeral 610 indicates the case U / T, reference numeral 620 indicates the case P, and reference numeral 630 indicates the case Ox. FIG. 6 shows the normalized bend shape for half of the pump membrane (from center to edge) for different bend effects or cases.

第一次近似において、屈曲(屈曲形状)に関する温度、圧力および酸化物張力の、そして、排水容積のすべてのこれらの効果は、線形に拡大可能であり、線形に重畳されることができる。   In a first order approximation, all these effects of temperature, pressure and oxide tension on bend (bend shape) and drainage volume can be expanded linearly and can be linearly superimposed.

以下に、ポンプ膜の屈曲および排水容積または行程容積が、それらの絶対値に関して述べられる。シミュレーションのためのパラメータは、シリコン膜に対して、側面積または表面6300×6300mm2、厚さ50mm、ヤング率166GPa(ポアソン値0.3)であり、圧電駆動手段に対して、圧電駆動手段の横方向の幅および長さは、シリコン膜の横方向の幅および長さの0.8倍、厚さ150mm、ヤング率90GPa(ポアソン値0.3)である。温度膨張係数αは、シリコンに対して、0.3×10-6/Kであり、圧電ドライブに対して、5×10-6/K(2.7×10-6/Kの差)である。圧電ドライブのd31係数は、330×10-12m/Vである。 In the following, the bending of the pump membrane and the drainage volume or stroke volume are described with respect to their absolute values. The parameters for the simulation are the side area or surface 6300 × 6300 mm 2 , thickness 50 mm, Young's modulus 166 GPa (Poisson value 0.3) with respect to the silicon film. The lateral width and length are 0.8 times the lateral width and length of the silicon film, the thickness is 150 mm, and the Young's modulus is 90 GPa (Poisson value 0.3). Temperature expansion coefficient α, relative to silicon is 0.3 × 10 -6 / K, in the piezoelectric drive, the difference between 5 × 10 -6 /K(2.7×10 -6 / K ) is there. The d31 coefficient of the piezoelectric drive is 330 × 10 −12 m / V.

図7Aは、従来技術におけるポンプ膜の中心部(線図の左辺)から縁部(線図の右辺)までの屈曲形状を、ポンプ膜の半分長または幅x0に正規化される横方向寸法xおよびマイクロメートルにおいて絶対値として示される縦方向寸法zを有する線図で示す。図7Aは、圧電駆動手段が製造電圧を印加することなく(Uproduction=0)、80℃で取り付けられたかまたは組み立てられた場合において、圧力なし(P=0)で、−50V(引用符号712)、0V(参照符号714)および150V(引用符号716)の場合の20℃における屈曲形状を示す。図の中で、「有する(with)」に省略形「w」を使用し、「有しない(without)」に省略形「wo」を使用した。 FIG. 7A shows a transverse dimension in which the bent shape from the center (left side of the diagram) to the edge (right side of the diagram) of the pump membrane in the prior art is normalized to the half length or width x 0 of the pump membrane. Shown in diagram with longitudinal dimension z shown as absolute value in x and micrometers. FIG. 7A shows that when the piezoelectric drive means is mounted or assembled at 80 ° C. without applying a production voltage (U production = 0), there is no pressure (P = 0), and −50V (reference number 712). ), 0V (reference numeral 714) and 150V (quotation numeral 716), the bent shape at 20 ° C. is shown. In the figure, the abbreviation “w” was used for “with” and the abbreviation “wo” was used for “without”.

図7Aから分かるように、ポンプ膜に対する圧電駆動手段の接合が80℃で接着剤を硬化することによって実行される場合、室温(20℃)における測定は、すでに−60℃の温度差となり、ポンプ膜は下方に5μm屈曲する。換言すれば、シリコン・ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の温度膨張係数より小さいという事実により、ポンプ膜および圧電駆動手段が例えば室温にクールダウンされるときに、増加した製造温度Tproductionでのポンプ膜への圧電駆動手段の屈曲は、下方(負のz値)へポンプ膜が予め膨らむ原因となる。下方へのポンプ膜に予め与えられる膨らみは、例えば平面ポンプチャンバ床を使用することができず、死容積を増加させおよび/またはポンプチャンバ床をポンプ膜の曲げ線に適応させる必要があり、前述したように複雑で高コストとなるために不利である。さらに、シリコン膜が圧電駆動手段より小さい温度膨張係数を有し、圧電駆動手段をポンプ膜に接着するために用いられる接着剤は通常の環境温度または動作温度より高い温度で硬化されるため、下方へ予め与えられる所定の膨らみは、シリコン膜の場合にはほとんど避けることができない。 As can be seen from FIG. 7A, if the bonding of the piezoelectric drive means to the pump membrane is performed by curing the adhesive at 80 ° C., the measurement at room temperature (20 ° C.) already results in a temperature difference of −60 ° C. The membrane bends 5 μm downward. In other words, due to the fact that the temperature expansion coefficient of the silicon pump membrane is smaller than the temperature expansion coefficient of the piezoelectric drive means, when the pump film and the piezoelectric drive means are cooled down to, for example, room temperature, the increased production temperature T production The bending of the piezoelectric drive means to the pump film causes the pump film to swell in advance downward (negative z value). The bulge previously imparted to the pump membrane down, for example, cannot use a flat pump chamber floor and needs to increase the dead volume and / or adapt the pump chamber floor to the bend line of the pump membrane, It is disadvantageous because it is complicated and expensive. Furthermore, since the silicon film has a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric drive means and the adhesive used to bond the piezoelectric drive means to the pump film is cured at a temperature higher than normal ambient or operating temperature, In the case of a silicon film, the predetermined bulge given in advance is almost unavoidable.

前述したように、ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の温度膨張係数より高い場合、ポンプ膜および圧電駆動手段が例えば室温に冷却された後に、ポンプ膜は反対側、すなわち上方に予め膨らみが与えられる。このように、正であるか上方に予め膨らんだポンプ膜が、付加的な処理ステップ、例えば付加的な酸化被膜の形成を必要とせずに、容易に作製されることができる。   As described above, when the temperature expansion coefficient of the pump film is higher than the temperature expansion coefficient of the piezoelectric driving means, the pump film is previously swollen on the opposite side, that is, upward after the pump film and the piezoelectric driving means are cooled to, for example, room temperature. Given. In this way, a pump membrane that is positive or pre-bulged upwards can be easily made without the need for additional processing steps, such as the formation of an additional oxide layer.

屈曲形状714は、駆動手段が作動せず、他のいかなる外部圧力または影響もポンプ膜に与えられないときに、ポンプ膜が取る屈曲形状と考えることができる。図7Aから分かるように、高さz(またはH)は、ポンプ膜の中央において約−5.35μmである。−50Vの負の駆動電圧が印加される(参照符号712を参照)場合、圧電駆動手段が拡張するため、ポンプ膜は上方へ変形し、+150Vの正の電圧が駆動電圧として印加される場合、ポンプ膜は圧電駆動手段の収縮により、更に下方に屈曲する(参照符号716を参照)。   The bent shape 714 can be considered as the bent shape that the pump membrane takes when the drive means is not activated and no other external pressure or influence is applied to the pump membrane. As can be seen from FIG. 7A, the height z (or H) is about −5.35 μm in the center of the pump membrane. When a negative driving voltage of −50V is applied (see reference numeral 712), the piezoelectric driving means expands, so that the pump membrane is deformed upward, and when a positive voltage of + 150V is applied as the driving voltage, The pump membrane bends further downward due to the contraction of the piezoelectric driving means (see reference numeral 716).

圧電駆動手段をポンプ膜に接合する間圧電駆動手段に電圧、例えば製造電圧Uproductionを与えることにより、図7Aに示す効果(ポンプ膜の下方への屈曲)が是正され、接合の間与えられる製造電圧に従って部分的に補償され、完全に補償され、または過補償される。例えば、ポンプ膜に対する圧電駆動手段の接合が80℃で実行され、マイクロ・ポンプが後に20℃で動作されるかまたは用いられる場合のような60℃の温度差を補償するために、60℃の温度差によって生じる負の予め与えられた屈曲を補償するために、すなわち、駆動手段が作動していないときに平面形状を得るために、73.6Vの製造電圧が必要とされる。屈曲形状が同一である(すなわち、規格化された同一)ため、外部圧力および電圧が与えられないとき、ストロークおよび容積は同時に補償され、ポンブ膜が平らな形状をとる。 By applying a voltage, for example the production voltage U production, to the piezoelectric drive means while joining the piezoelectric drive means to the pump membrane, the effect shown in FIG. 7A (downward bending of the pump membrane) is corrected and the production provided during joining. Partially compensated according to the voltage, fully compensated or overcompensated. For example, in order to compensate for a temperature difference of 60 ° C., such as when bonding of the piezoelectric drive means to the pump membrane is performed at 80 ° C. and the micropump is later operated or used at 20 ° C. In order to compensate for the negative pre-given bending caused by the temperature difference, i.e. to obtain a planar shape when the drive means is not operating, a manufacturing voltage of 73.6 V is required. Because the bend shape is the same (ie, normalized same), when no external pressure and voltage are applied, the stroke and volume are compensated simultaneously and the pump membrane assumes a flat shape.

図7Bは、80℃および73.6Vの製造電圧(図7Aと類似の説明)における圧電接合に対するポンプ膜の中心部から縁部までの半分の屈曲形状の線図を示す。参照符号722は、20℃で、駆動電圧−50Vで、外部圧力Pのないときのポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号724は、20℃で、0V(駆動電圧なし)で、外部圧力がないときのポンプ膜の屈曲形状を示し、参照符号726は、20℃で、駆動電圧150Vで、外部圧力1barのときのポンプ膜の屈曲形状を示す。図7Bから分かるように、80℃で圧電駆動手段を接着し、接着の間、73.6Vの製造電圧を印加することにより、−60℃の温度差によって生じる負であるか下方へ予め与えられる屈曲および製造電圧を開放することによる正であるか上方へ予め与えられる屈曲は互いに補償し、その結果、圧電駆動手段が作動しないときにポンプ膜が単純な形状(参照符号724を参照)をとる。すでに図7Aに基づいて説明されているように、圧電駆動手段に対する負の電圧の適用は、ポンプ膜を上方に偏らせ(参照符号722を参照)るが、正の電圧の適用はポンプ膜を下方に膨らませる(参照符号726を参照)。   FIG. 7B shows a diagram of a half-bend shape from the center to the edge of the pump membrane for piezoelectric bonding at 80 ° C. and a manufacturing voltage of 73.6 V (similar description to FIG. 7A). Reference numeral 722 indicates a bent shape of the pump membrane when the drive voltage is −50 V and there is no external pressure P at 20 ° C. Reference numeral 724 indicates a bent shape of the pump membrane at 20 ° C. and 0 V (no driving voltage) and no external pressure. Reference numeral 726 indicates a driving voltage of 20 V at a driving voltage of 150 V and an external pressure of 1 bar. 2 shows the bent shape of the pump membrane. As can be seen from FIG. 7B, the piezoelectric drive means is bonded at 80 ° C., and during the bonding, a manufacturing voltage of 73.6 V is applied, so that it is negative or pre-applied downward caused by a temperature difference of −60 ° C. Bendings and positive or pre-bending bendings by opening the production voltage compensate each other, so that the pump membrane takes a simple shape (see reference numeral 724) when the piezoelectric drive means is not activated. . As already explained with reference to FIG. 7A, application of a negative voltage to the piezoelectric drive means biases the pump membrane upward (see reference 722), while application of a positive voltage causes the pump membrane to Inflate downward (see reference numeral 726).

図7Cは、図7B(図7Bにおけるのと同じポンプ膜のために)の一つと類似の線図を示す。2つの上の屈曲形状は、同一である。しかしながら、参照符号728は、150Vの駆動電圧および1barの外部圧力を適用することから生じている屈曲形状をいう。分かるように、1barの反圧力Pがポンプ膜に適用されるにもかかわらず、150Vの駆動電圧を印加することはポンプ膜を下方に変形させる。   FIG. 7C shows a diagram similar to one of FIG. 7B (for the same pump membrane as in FIG. 7B). The two upper bent shapes are the same. However, the reference number 728 refers to the bent shape resulting from applying a driving voltage of 150V and an external pressure of 1 bar. As can be seen, applying a driving voltage of 150V causes the pump membrane to deform downwards even though 1 bar of counter pressure P is applied to the pump membrane.

以下に、特定の逆圧において、150Vの駆動電圧を印加したときに、ポンプ膜がポンプ本体の上面にちょうど接触するかまたは当接するように、(80℃で)ポンプ膜に圧電駆動手段を接合する間、どの電圧が印加されるべきかが見本として計算される。圧力は、結果として生じる圧縮比から得られるものである。   Below, the piezoelectric drive means is bonded to the pump membrane (at 80 ° C.) so that the pump membrane just contacts or abuts the top surface of the pump body when a drive voltage of 150 V is applied at a specific counter pressure. In the meantime, which voltage is to be applied is calculated as a sample. The pressure is derived from the resulting compression ratio.

図7Dは、図7Aないし7Cにおけるのと同様の表現で、ポンプ膜の屈曲形状の線図を示すが、これは、圧電駆動手段の接合が、80℃において、178Vの製造電圧で実行されたポンプ膜に対してのものである。参照符号732は、20℃、−50Vで、圧力がない場合における中心部から縁部までのポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号734は、非作動状態(駆動電圧U=0V)で、外部圧力のない(P=0)場合のポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号736は、150Vの製造電圧が圧電駆動手段に印加され、1barの逆圧がポンプ膜に適用されるときの同じポンプ膜(80℃および178Vで圧電駆動手段を接着することによって予め与えられる屈曲)を示す。図7Dからわかるように、シリコン・ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の圧電材料の温度膨張係数より小さいにもかかわらず、図7Bおよび7Cの73.6Vの製造電圧と比較して図7Dの178Vというより高い製造電圧が厚いシリコン・ポンプ膜に予め上方向に膨らみを与える効果を有し、すなわち、異なる温度係数によってポンプ膜に予め与えられる膨らみは、製造電圧を応用することによって過補償される。これらの製造パラメータについては、ほぼ7.5μmの予め膨らんだ高さは、ポンプ膜の中央部において達成されることができる。負の駆動電圧が印加される場合(参照符号732を参照)、ポンプ膜は上方に偏向するが、正の駆動電圧が印加される場合、ポンプ膜はポンプ本体に向かって下方に偏向する(参照符号736を参照)。   FIG. 7D shows a diagram of the bent shape of the pump membrane, with a representation similar to that in FIGS. 7A-7C, where the piezoelectric drive means bonding was performed at 80 ° C. with a production voltage of 178V. For the pump membrane. Reference numeral 732 indicates a bent shape of the pump membrane from the center portion to the edge portion when there is no pressure at 20 ° C. and −50V. Reference numeral 734 indicates a bent shape of the pump membrane in a non-operating state (driving voltage U = 0 V) and no external pressure (P = 0). Reference numeral 736 is given in advance by gluing the piezoelectric drive means at the same pump membrane (80 ° C. and 178 V when a production voltage of 150V is applied to the piezoelectric drive means and a 1 bar back pressure is applied to the pump membrane. Bend). As can be seen from FIG. 7D, although the temperature expansion coefficient of the silicon pump membrane is smaller than the temperature expansion coefficient of the piezoelectric material of the piezoelectric driving means, it is compared with the manufacturing voltage of 73.6 V in FIGS. 7B and 7C. The higher production voltage of 178V has the effect of pre-blowing the thick silicon pump membrane in advance, ie the pre-given bulge to the pump membrane with different temperature coefficients is overcompensated by applying the production voltage Is done. For these manufacturing parameters, a pre-bulge height of approximately 7.5 μm can be achieved in the central part of the pump membrane. When a negative drive voltage is applied (see reference numeral 732), the pump membrane deflects upward, but when a positive drive voltage is applied, the pump membrane deflects downward toward the pump body (see Reference 736).

分かるように、1barの逆圧が適用されるにもかかわらず、ポンプ膜はポンプチャンバ床またはポンプ本体に当接する。逆圧Pは、縁部においてポンプ膜のわずかな偏向を引き起こす。逆圧が適用されない場合(P=0mbar)、ポンプ膜はポンプチャンバ床に完全に当接するが、その理由は、予め与えられた膨らみは圧電駆動手段の作動によって生じる変形に適応しているからである。ポンプ膜736の下の残留する死容積は、約11.5nLであって、上述した逆圧の場合にのみ発生する。しかしながら、これらの死容積は、約163nLの総行程容積(ポンプ膜の形状732および736間の容積)と比較して小さい。   As can be seen, the pump membrane abuts the pump chamber floor or the pump body, even though a 1 bar back pressure is applied. The counter pressure P causes a slight deflection of the pump membrane at the edge. When no reverse pressure is applied (P = 0 mbar), the pump membrane fully contacts the pump chamber floor because the pre-given bulge is adapted to deformations caused by the actuation of the piezoelectric drive means. is there. The remaining dead volume under the pump membrane 736 is about 11.5 nL and occurs only in the case of the back pressure described above. However, these dead volumes are small compared to a total stroke volume of about 163 nL (the volume between pump membrane shapes 732 and 736).

前述のことを要約すると、予め膨らんだポンプ膜の製造方法の実施例は、ポンプ膜材料および駆動手段、例えば圧電駆動手段の多種多様な組合せを提供して、例えばマイクロ・ポンプが成し遂げなければならない所定の運転パラメータ、例えばストローク高さ、行程容積、圧縮比、逆圧などに対応する製造信号、製造電圧および/または製造温度などの製造パラメータを柔軟に調整することができる。   Summarizing the foregoing, an embodiment of a method of manufacturing a pre-expanded pump membrane provides a wide variety of combinations of pump membrane material and drive means, eg, piezoelectric drive means, for example, a micro pump must be achieved. Manufacturing parameters such as manufacturing signals, manufacturing voltages and / or manufacturing temperatures corresponding to predetermined operating parameters, such as stroke height, stroke volume, compression ratio, back pressure, etc., can be flexibly adjusted.

ほとんどいかなる信号値または電圧値も製造値または製造電圧として使われることができるので、駆動手段を収縮させ、ポンプ膜に収縮した状態の駆動手段を接合するための製造信号を使用して予め膨らんだポンプ膜を製造する方法の実施例は非常に順応性のあるものである。このように、ほとんど、いかなる予め膨らんだ高さ、ストローク高さおよび行程容積も達成されることができる。   Since almost any signal value or voltage value can be used as a production value or a production voltage, the drive means is contracted and pre-inflated using a manufacture signal to join the contracted drive means to the pump membrane An example of a method for manufacturing a pump membrane is very flexible. In this way, almost any pre-bulge height, stroke height and stroke volume can be achieved.

ポンプ膜に駆動手段を接着するために接着剤が用いられる場合、接着剤は概して、それらが硬化されなければならない接着剤に特有の製造時の温度を有する。これらの製造時の温度は、一般的に、周囲の室温より高い。製造時の温度の高さおよび製造時の温度と動作温度との差に応じて、マイクロ・ポンプまたは一般に屈曲変換器が後に使用され、ポンプ膜の通常運転の間、ポンプ膜および駆動手段のプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみは、駆動手段およびポンプ膜が異なる温度膨張係数を有する場合に本質的に引き起こされる。適切な駆動手段およびポンプ膜材料、例えば膜のためのそれぞれの圧電セラミックおよび鋼または合成材料を選択することによって、異なる温度膨張係数によって生じるプレストレスの効果は、ポンプ膜のプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみを増加させるために用いることができる。同じ考察は、接合材料、例えばハンダ付けを使用している他の接合方法にあてはまる。   When adhesives are used to adhere the drive means to the pump membrane, the adhesives generally have a manufacturing temperature that is specific to the adhesive in which they must be cured. Their manufacturing temperature is generally higher than the ambient room temperature. Depending on the height of the manufacturing temperature and the difference between the manufacturing temperature and the operating temperature, a micro pump or generally a flexure transducer is later used, and during normal operation of the pump membrane, the pump membrane and drive means pre- Stress and potentially pre-swelling are inherently caused when the drive means and the pump membrane have different temperature expansion coefficients. By selecting the appropriate drive means and pump membrane material, e.g. the respective piezoceramic and steel or synthetic material for the membrane, the prestress effect caused by the different temperature expansion coefficients can be It can be used to increase the pre-given bulge. The same considerations apply to other bonding methods using bonding materials, such as soldering.

両方の効果の考察は、通常下方へ予め与えられる膨らみを引き起こすが圧電駆動手段より小さい温度膨張係数を有するポンプ膜材料、例えばシリコン・ポンプ膜のような半導体ポンプ膜を使用することができる。しかしながら、さらに適当な製造信号または製造値を適用することによって、下方へ予め与えられる膨らみは、最終的に上方へ予め与えられる膨らみを達成するためにより大きく補償されえる。   Both effect considerations can use a pump membrane material, such as a silicon pump membrane, which typically causes a pre-given bulge downward but has a smaller coefficient of thermal expansion than the piezoelectric drive means. However, by applying a more appropriate manufacturing signal or manufacturing value, the bulge previously given downward can be compensated more greatly to finally achieve the bulge previously given upward.

換言すれば、第2の熱膨張係数(第2の材料から成る駆動手段の熱膨張係数)は第1の熱膨張係数(第1の材料から成る膜の熱膨張係数)より高い特定の実施例において、製造信号は、製造信号を開放することによりもたらされるポンプ膜の第1の方向へ予め与えられる膨らみが接合された駆動手段とポンプ膜とを冷却することによりもたらされるポンプ膜の第1の方向に対向する第2の方向へ予め与えられる膨らみをより大きく補償するようなものである。   In other words, the specific example in which the second thermal expansion coefficient (the thermal expansion coefficient of the driving means made of the second material) is higher than the first thermal expansion coefficient (the thermal expansion coefficient of the film made of the first material). In the first direction of the pump membrane produced by cooling the driving means and the pump membrane joined with a bulge previously applied in the first direction of the pump membrane produced by releasing the production signal. In this way, the bulge given in advance in the second direction opposite to the direction is compensated more greatly.

したがって、予め膨らんだポンプ膜の製造方法の更なる実施例は、駆動手段が作動するときに、ポンプ膜が第2の位置を仮定する所定の逆圧値に基づいて、第1および第2の材料および/または製造信号値を例えば自動的に決定することを含む。   Thus, a further embodiment of the method of producing a pre-expanded pump membrane is based on the first and second values based on a predetermined back pressure value assuming that the pump membrane assumes a second position when the drive means is activated. For example, automatically determining material and / or manufacturing signal values.

圧電アクチュエータの上で酸化被膜を使用している予め膨らんだ方法と比較して、本発明の実施例は、より材料の少ない材料(酸化被膜がない)、より少ない製造ステップ(ポンプ膜および圧電駆動手段の間の酸化被膜の形成がない)を必要とし、達成可能な行程容積およびストローク高さに関してより順応的で、より高いストローク高さおよび行程容積を提供する。   Compared to the pre-swollen method using oxide film on the piezoelectric actuator, the embodiment of the present invention has less material (no oxide film), fewer manufacturing steps (pump film and piezoelectric drive) Without the formation of an oxide film between the means) and is more adaptive with respect to achievable stroke volume and stroke height, providing a higher stroke height and stroke volume.

特定の実施例において、ポンプチャンバは、ポンプ膜が第1の膨らんだ位置にあるときの第1の容積と、ポンプ膜が第2の少ない膨らみの位置にあるときの第2の容積とを有し、第2の容積が第1の容積より小さく、ポンプ膜、ポンプ本体および受動的な入口および出口チェックバルブは、圧縮比が50より大きいか100より大きく、圧縮比がマイクロ・ポンプの行程容積と第2の容積との比によって定義され、行程容積は第1の容積と第2の容積との差によって定義されるように、ポンプ膜への駆動手段の接合が実行される。第2の容積は、例えば、受動的な入口および/または出口チェックバルブの部分におけるポンプ本体の中にあるバルブ坑の容積、および/または受動的な入口または出口チェックバルブ自体における窪み、および/またはポンプ膜が第2の位置にあるときにポンプ膜がポンプ本体の第1の表面に付着するのを避けるように構成される反付着手段によって本質的に定義される。   In certain embodiments, the pump chamber has a first volume when the pump membrane is in a first bulge position and a second volume when the pump membrane is in a second less bulge position. The second volume is smaller than the first volume, the pump membrane, pump body and passive inlet and outlet check valves have a compression ratio greater than 50 or greater than 100, and the compression ratio is the micro pump stroke volume. The drive means is joined to the pump membrane such that the stroke volume is defined by the difference between the first volume and the second volume. The second volume can be, for example, the volume of the valve well in the pump body at the passive inlet and / or outlet check valve portion, and / or the depression in the passive inlet or outlet check valve itself, and / or Defined essentially by an anti-adhesion means configured to avoid the pump membrane sticking to the first surface of the pump body when the pump membrane is in the second position.

別の実施例は、駆動手段をポンプ膜に接着するためにレーザー・ボンディングまたは他のボンディング技術を用いることができ、屈曲アクチュエータのプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみを達成するために上述のように接着の間、製造信号を適用する。   Another embodiment can use laser bonding or other bonding techniques to bond the drive means to the pump membrane, and is described above to achieve pre-stress and potentially pre-given bulge of the bending actuator. So apply manufacturing signal during bonding.

更なる実施例において、駆動手段は、それがポンプ膜を第2のより少ない膨らみの位置の方へ動かす前に、(例えば、負の電圧を圧電駆動手段に印加することによって)ポンプ膜を第3のより膨らんだ位置に移動させるように構成することができる。   In a further embodiment, the drive means causes the pump membrane to be activated first (eg, by applying a negative voltage to the piezoelectric drive means) before it moves the pump membrane toward the second less bulge position. 3 can be configured to move to a more swollen position.

以下に、本発明の実施例によって製造される屈曲トランスデューサから成るマイクロ・バルブの実施例が記載されている。   In the following, an embodiment of a microvalve consisting of a bending transducer manufactured according to an embodiment of the invention will be described.

図7E、7F、7FFおよび図7Gは、常閉マイクロ・バルブ700の断面図解図を示す。図7Eおよび図7Fは、非作動自己遮断状態のマイクロ・バルブを示し、動作または駆動電圧は印加されず(U=0V)、バルブは閉じている。図7Eは入口ポートを有する側面図を示すが、図7Fは出口ポートを有する90°回転した側面図を示す。図7FFおよび7Gは、開口状態のマイクロ・バルブを示す。正の動作電圧または駆動電圧が印加される(U>0V)。図7FFは、図7Eと同じ側面、すなわち入口ポート(しかしながら、開口状態)を有する側面図を示し、図7Gは、図7Fと同じ側面図、すなわち出口ポート(しかしながら、開口状態)を有する側面図と同じ側面図を示す。マイクロ・バルブは、米国特許出願公開US2004/0036047A1および米国特許出願公開US2006/0027772A1に記載されているマイクロ・バルブと類似したデザインを有する。図7E〜7Gから分かるように、マイクロ・バルブ700は第1のチップまたは動作チップ740、および第2のまたはフラップ・チップ750を含む。動作チップ740は、第1の主側面または表面744(図7E〜7Fに関して上面)に凹部または窪み742を有し、対向する主側面745に凹部または窪み743を有し、両方の凹部または窪み742および743の間に形成される膜110を含む。駆動手段、例えば、圧電セラミックが膜110の第1の表面または側面112に配置される。タペット746は、膜110の第2の対向する面114に突出している。第1のチップ740は、更に、タペット746のように、膜110の第2の表面114から突出するシール・リップ748を含む。第2のチップ750は、第2のチップに形成される流体入口752(図7Eおよび7FFを参照)および流体出口または弁出口754(図7Fおよび7Gを参照)を含む。さらに、第2のチップ750は、タペット746を介して膜110に機械的に接続される柔軟シャッタまたは閉鎖エレメント754を含む。図7Fおよび7Gから分かるように、シャッタは、駆動手段210が動作したときに下方に偏向または動くことができるように膜の反対側の面に配置される凹部756を含む。図7Eから分かるように、駆動手段が作動しないとき、シール・リップ748は、バルブチャンバ凹部743とも呼ばれる凹部743から流動的にバルブ入口752を分離するかまたは封止する。駆動手段210が動作する場合、駆動手段210によって形成された屈曲トランスデューサおよび膜110は下に曲がり、同時にシャッタ754を下方に曲げて、弁入口752およびバルブチャンバ凹部743の間の流体接続を形成することによってバルブを開く(図7FFを参照)。図7Fおよび7Gから分かるように、出口ポート754は、常にバルブチャンバ凹部740に流体接続した状態にある。換言すれば、駆動手段210を動作させることによって、バルブ入口752は、バルブチャンバ凹部743を経てバルブ出口754に流体的に接続している。   7E, 7F, 7FF and FIG. 7G show cross-sectional schematic views of a normally closed micro valve 700. FIG. FIGS. 7E and 7F show the microvalve in a non-actuated self-blocking state where no operating or drive voltage is applied (U = 0V) and the valve is closed. FIG. 7E shows a side view with an inlet port, while FIG. 7F shows a side view rotated 90 ° with an outlet port. 7FF and 7G show the open micro valve. A positive operating voltage or drive voltage is applied (U> 0V). FIG. 7FF shows the same side view as FIG. 7E, i.e. a side view with an inlet port (but open), and FIG. 7G shows the same side view as FIG. 7F, i.e. a side view with an outlet port (but open). And shows the same side view. The microvalve has a similar design to the microvalves described in US patent application publication US 2004 / 0036047A1 and US patent application publication US 2006 / 0027772A1. As can be seen in FIGS. 7E-7G, the microvalve 700 includes a first or operating chip 740 and a second or flap chip 750. The operating chip 740 has a recess or indentation 742 on the first major side or surface 744 (upper surface with respect to FIGS. And a film 110 formed between 743 and 743. Driving means, such as piezoelectric ceramic, is disposed on the first surface or side surface 112 of the membrane 110. The tappet 746 protrudes on the second opposing surface 114 of the membrane 110. The first tip 740 further includes a sealing lip 748 that projects from the second surface 114 of the membrane 110, such as a tappet 746. The second tip 750 includes a fluid inlet 752 (see FIGS. 7E and 7FF) and a fluid or valve outlet 754 (see FIGS. 7F and 7G) formed in the second tip. Further, the second tip 750 includes a flexible shutter or closure element 754 that is mechanically connected to the membrane 110 via a tappet 746. As can be seen from FIGS. 7F and 7G, the shutter includes a recess 756 disposed on the opposite surface of the membrane so that it can be deflected or moved downward when the drive means 210 is operated. As can be seen from FIG. 7E, the seal lip 748 fluidly separates or seals the valve inlet 752 from a recess 743, also referred to as a valve chamber recess 743, when the drive means is not activated. When the drive means 210 operates, the bending transducer and membrane 110 formed by the drive means 210 bend down and simultaneously bend the shutter 754 downward to form a fluid connection between the valve inlet 752 and the valve chamber recess 743. To open the valve (see FIG. 7FF). As can be seen from FIGS. 7F and 7G, the outlet port 754 is always in fluid connection with the valve chamber recess 740. In other words, by operating the drive means 210, the valve inlet 752 is fluidly connected to the valve outlet 754 via the valve chamber recess 743.

第1のチップ740および第2のチップ750は、シリコンまたは他のいかなる材料でも形成することができる。しかしながら、第1および第2のチップ740、750がシリコンまたは他の半導体チップである場合、硬化のために特定の製造時の温度を必要とする接着剤を用いた駆動手段210の接着は、シャッタ754に向かってポンプ膜110に予め与えられる不必要な膨らみに至ることがあり、常閉バルブ700の封止信頼性を低減させる。同様の考察は、2つのチップの加熱を遂行するかまたは必要とする他の接着方法にあてはまる。   The first chip 740 and the second chip 750 can be formed of silicon or any other material. However, if the first and second chips 740, 750 are silicon or other semiconductor chips, the adhesion of the drive means 210 with an adhesive that requires a specific manufacturing temperature for curing is not possible with the shutter. Unnecessary swelling previously given to the pump membrane 110 toward 754 may be reached, reducing the sealing reliability of the normally closed valve 700. Similar considerations apply to other bonding methods that perform or require heating of the two chips.

本発明の実施例は、製造信号、例えば圧電アクチュエータ210の場合には正の製造電圧を適用することによってシャッタ754の方向に予め与えられる膨らみ補償するか、過補償することができる。本発明の実施例にかかる駆動手段、例えば、圧電駆動手段のプレストレスは、マイクロ・バルブが安全に、または、確実に閉じるという効果を有する。すでに、駆動手段の小さいプレストレスは、確実に常閉バルブを提供するのに十分である。さらに、後方の圧力が印加された場合にバルブが閉じたままである閾値圧力は、適当な製造信号を適用することによって、容易に調整されることができる。   Embodiments of the present invention can compensate for or overcompensate a pre-given bulge in the direction of the shutter 754 by applying a manufacturing signal, eg, a positive manufacturing voltage in the case of the piezoelectric actuator 210. The pre-stress of the driving means according to the embodiment of the present invention, for example, the piezoelectric driving means, has the effect that the micro valve is closed safely or securely. Already a small prestress of the drive means is sufficient to ensure a normally closed valve. Furthermore, the threshold pressure at which the valve remains closed when a backward pressure is applied can be easily adjusted by applying an appropriate manufacturing signal.

図7Hは、第1のチップ740および第2のチップ750を含む常開マイクロ・バルブの実施例を示す。第1のチップ740は、バルブ膜110を形成するように、第1側面744に凹部742を含む。第2のチップ750の反対側における膜110の第1の側面112上において、駆動手段、例えば圧電駆動手段210が膜110に接合される。駆動手段210および膜110は、屈曲トランスデューサを形成する。第1のチップ740は、第1の表面または側面744の反対側の第2の表面または側面745を介して、第2のチップ750に接続される。第2のチップ750は、第2のチップの第1のチップに面した側から第2のチップの反対側まで延びるスルーホールによって形成されるバルブ入力752と、バルブ入力752と同様に第2のチップの第1のチップに面した第1の側から反対側の第2の側面または表面に向かって延びるスルーホールによって形成されるバルブ出力754とを含む。第2のチップ750の第1の側面に、バルブシートまたはバルブリップ759を定めるために凹部758が形成される。   FIG. 7H shows an example of a normally open microvalve that includes a first chip 740 and a second chip 750. The first chip 740 includes a recess 742 on the first side surface 744 so as to form the valve film 110. On the first side 112 of the film 110 on the opposite side of the second chip 750, a driving means, for example a piezoelectric driving means 210 is bonded to the film 110. The driving means 210 and the membrane 110 form a bending transducer. The first chip 740 is connected to the second chip 750 via a second surface or side 745 opposite the first surface or side 744. The second chip 750 includes a valve input 752 formed by a through hole extending from the side facing the first chip of the second chip to the opposite side of the second chip, and a second input similar to the valve input 752. And a valve output 754 formed by a through hole extending from the first side of the chip facing the first chip toward the opposite second side or surface. A recess 758 is formed in the first side of the second tip 750 to define a valve seat or valve lip 759.

駆動手段210は、本発明の一実施例による膜110に接合されて、第2のチップから離れて面する向きに予め膨らまされる。このように、駆動手段210が作動しない場合、バルブ入口752およびバルブ出口754は流体接続の状態にあり、バルブは開かれる。駆動手段210が作動する場合、バルブを封止するかまたは閉じるためにバルブリップ759に接触するまで、駆動手段210は膜110を下に動かす。   The driving means 210 is bonded to the film 110 according to an embodiment of the present invention and pre-inflated in a direction facing away from the second chip. Thus, when the drive means 210 is not activated, the valve inlet 752 and valve outlet 754 are in fluid connection and the valve is opened. When the drive means 210 is activated, the drive means 210 moves the membrane 110 down until it contacts the valve lip 759 to seal or close the valve.

図7Iは、図7Hの常開マイクロ・バルブと類似の常開バルブの更なる実施例を示す。図7Hのマイクロ・バルブとは対照的に、図7Iのマイクロ・バルブは、第1のチップの第2の側面745に形成される更なる凹部743およびバルブ膜110の第2の側面から突出しているタペット746を含む。タペット746は、弁入口752およびバルブシール759に対向して配置される。   FIG. 7I shows a further embodiment of a normally open valve similar to the normally open micro valve of FIG. 7H. In contrast to the microvalve of FIG. 7H, the microvalve of FIG. 7I protrudes from a further recess 743 formed in the second side 745 of the first chip and the second side of the valve membrane 110. A tappet 746. Tappet 746 is disposed opposite valve inlet 752 and valve seal 759.

駆動手段210は、本発明の一実施例にかかる膜110に接合され、予め膨らまされる。駆動手段210が作動しない場合、膜110の予め膨らんだ形状のためバルブ入口752はバルブ出口754と流体接続の状態にある。駆動手段210が作動する場合、膜は第2のチップへ移動し、タペット746はバルブリップ759に当接して、バルブを閉じる。   The driving means 210 is bonded to the film 110 according to an embodiment of the present invention and is inflated in advance. When the drive means 210 is not activated, the valve inlet 752 is in fluid connection with the valve outlet 754 due to the pre-inflated shape of the membrane 110. When the drive means 210 is activated, the membrane moves to the second tip and the tappet 746 contacts the valve lip 759 and closes the valve.

予め膨らんだ膜を有する図7Hおよび7Iに示すマイクロ・バルブの実施例は、生産技術、更には機能的利点に関して有利である。膜がシリコンまたは他の半導体材料で形成される場合、バルブシートまたはリップと閉鎖エレメント(膜またはタペット)との間の間隔素子または構造は予知されてはならない。このように、1つのマスク、1つのリソグラフィおよび1つのエッチングステップの低減が要求され、このように、製造コストおよび複雑さは減らされる。   The embodiment of the microvalve shown in FIGS. 7H and 7I with a pre-inflated membrane is advantageous with respect to production technology as well as functional advantages. If the membrane is formed of silicon or other semiconductor material, the spacing element or structure between the valve seat or lip and the closure element (membrane or tappet) should not be foreseen. Thus, a reduction in one mask, one lithography and one etching step is required, thus reducing manufacturing costs and complexity.

常開バルブが閉じる場合、膜またはタペットは平らな状態にある。特に、非円形のバルブシートまたはリップの場合、または、(流れを増加させるために用いられる)蛇行形状バルブシートであっても、膜がバルブを閉じるために偏る場合に与えられる残りの隙間は回避されることができる。このように、本発明の実施例は、設計および製造が容易である優れた封止特性を有するマイクロ・バルブを提供する。   When the normally open valve is closed, the membrane or tappet is in a flat state. In particular, in the case of non-circular valve seats or lips, or even serpentine shaped valve seats (used to increase flow), avoid the remaining gaps that are provided when the membrane is biased to close the valve Can be done. Thus, embodiments of the present invention provide microvalves with excellent sealing properties that are easy to design and manufacture.

前への進行状態は、特にその特定の実施例に関して図と共に記載された。形状および詳細のさまざまな他の変形がその趣旨および範囲から逸脱することなく、なされることができることは、当業者によってよく理解されている。したがって、さまざまな変形が本願明細書において開示される上位概念から逸脱することなく、異なる実施例を適応させる際になされることができて、以後の請求項によって理解されることができると理解される。   Previous progress was described with the figures, especially with respect to that particular embodiment. It is well understood by those skilled in the art that various other modifications in shape and detail can be made without departing from the spirit and scope thereof. Accordingly, it is understood that various modifications can be made in adapting different embodiments without departing from the superordinate concepts disclosed herein and can be understood by the following claims. The

Claims (20)

駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法であって、前記方法は、
膜(110)および駆動手段(210)を準備するステップ(1010)、および
接合後に前記駆動手段にプレストレスが与えられるように、前記膜(110)への前記駆動手段の接合の間前記駆動手段(210)に製造信号(Uproduction)を適用するステップ(1020)を含み、前記製造信号が屈曲トランスデューサを動作させる動作信号と同じ種類のものである、方法。
A method of manufacturing a bending transducer comprising a driving means and a membrane, the method comprising:
Preparing the membrane (110) and the drive means (210) (1010), and during the joining of the drive means to the membrane (110) so that the drive means is prestressed after joining Applying (1020) a manufacturing signal ( U20 ) to (210), wherein the manufacturing signal is of the same type as the operating signal that operates the flexure transducer.
接合が終了したあと、製造信号(Uproduction)は開放されるだけである、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the production signal (U production ) is only opened after the joining is finished. 接合は、駆動手段および膜の間に配置される接合材料によって実行され、前記接合材料が硬化されたあと、製造信号は開放されるだけである、請求項1または請求項2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the bonding is performed by a bonding material disposed between the drive means and the membrane, and the manufacturing signal is only released after the bonding material is cured. 接合材料は、接着剤またはハンダ付け材料である、請求項2または請求項3に記載の方法。   4. A method according to claim 2 or claim 3, wherein the bonding material is an adhesive or a soldering material. 前記膜への前記駆動手段の接合の間、前記膜(110)に前記駆動手段を押し付け、接合材料が硬化されたあと、押圧が終了されるだけである、請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の方法。   5. Any one of claims 2 to 4, wherein during the joining of the driving means to the membrane, the driving means is pressed against the membrane (110) and the pressing is only terminated after the bonding material has hardened. The method of crab. 前記製造信号は、前記駆動手段(210)が接合の間収縮した状態にあるようなものである、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の方法。   The method according to any of the preceding claims, wherein the manufacturing signal is such that the drive means (210) is in a contracted state during bonding. 前記製造信号は、接合の後、前記屈曲トランスデューサ(110、210)が前記駆動手段と前記膜との間の接合面と関連して前記駆動手段の方向へ予め与えられる膨らみを有する予め膨らんだ形状をとる、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の方法。   The manufacturing signal has a pre-bulged shape that, after bonding, has a bulge that the bending transducer (110, 210) is pre-applied in the direction of the driving means in relation to the bonding surface between the driving means and the membrane. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein: 前記駆動手段(210)は圧電駆動手段であり、製造信号(Uproduction)は製造電圧である、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の方法。 The method according to any of claims 1 to 7, wherein the driving means (210) is a piezoelectric driving means and the manufacturing signal (U production ) is a manufacturing voltage. 前記膜(110)の温度係数が前記駆動手段(210)の温度係数より大きく、前記膜(110)に対する前記駆動手段(210)の接合は前記駆動手段が後に動作する動作温度より高い製造温度で実行され、前記製造信号は前記駆動手段(210)が接合の間収縮した状態にあるようなものである、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の方法。   The temperature coefficient of the film (110) is larger than the temperature coefficient of the driving means (210), and the bonding of the driving means (210) to the film (110) is at a manufacturing temperature higher than the operating temperature at which the driving means operates later. 9. A method according to any of the preceding claims, wherein the method is performed and the manufacturing signal is such that the drive means (210) is in a contracted state during bonding. 前記駆動手段(210)は圧電駆動手段(210)であり、製造信号は正の製造電圧(Uproduction)であって、前記膜(110)は、金属または合成材料を含む、請求項9に記載の方法。 10. The drive means (210) is a piezoelectric drive means (210), the production signal is a positive production voltage (U production ), and the membrane (110) comprises a metal or a synthetic material. the method of. 前記膜(110)の温度係数は前記駆動手段(210)の温度係数より小さく、前記膜(110)に対する前記駆動手段(210)の接合は、前記駆動手段が後に動作する動作温度より高い製造温度で実行され、製造信号は、製造信号を適用することによってもたらされる第1の種類のプレストレスが、第1の種類のプレストレスと逆向きで異なる温度係数によってもたらされる第2の種類のプレストレスをより大きく補償するようなものである、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の方法。   The temperature coefficient of the film (110) is smaller than the temperature coefficient of the driving means (210), and the bonding of the driving means (210) to the film (110) is higher than the operating temperature at which the driving means operates later. And the manufacturing signal is a second type of prestress where the first type of prestress caused by applying the manufacturing signal is caused by a different temperature coefficient in the opposite direction to the first type of prestress. 9. A method according to any of claims 1 to 8, which is such as to compensate more greatly. 前記駆動手段は圧電駆動手段であり、製造信号は正の製造電圧(Uproduction)であって、前記膜は半導体物質を含む、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11, wherein the driving means is a piezoelectric driving means, the manufacturing signal is a positive manufacturing voltage (U production ), and the film comprises a semiconductor material. マイクロ・ポンプを製造する方法であって、前記マイクロ・ポンプは、膜(110)および駆動手段(210)を有する屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、ポンプ膜を形成して、駆動手段によって第1の膨らんだ位置および第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、さらに、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを規定するためにポンプ膜に接続されるポンプ本体(120)を含み、前記方法は、
前記駆動手段が作動しないときに前記ポンプ膜が第1の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとるように、請求項1ないし請求項12のいずれかの方法によって屈曲トランスデューサ(110、210)を製造するステップを含む、方法。
A method of manufacturing a micropump, wherein the micropump includes a bending transducer having a membrane (110) and a drive means (210), the membrane forming a pump membrane, and the first being driven by the drive means. A pump body configured to move between a bulge position and a second less bulge position, and further connected to the pump membrane to define a pump chamber between the pump body and the pump membrane ( 120), the method comprising:
A bending transducer (110, 210) is produced by the method of any of claims 1 to 12, such that the pump membrane assumes a pre-bulged shape at a first bulged position when the drive means is not activated. A method comprising the steps of:
マイクロ・バルブを製造する方法であって、前記マイクロ・バルブは、膜および駆動手段を有する屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、バルブ膜を形成し、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第1の位置および第2の位置との間で移動するように構成され、前記方法は、
請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む、方法。
A method of manufacturing a micro-valve, wherein the micro-valve includes a bending transducer having a membrane and a drive means, the membrane forming a valve membrane and being actuated by the drive means to open and close the micro-valve. Configured to move between a first position and a second position, the method comprising:
A method comprising the step of manufacturing a bending transducer by the method according to any of claims 1-12.
第1の位置は膨らんだ位置であり、第2の位置は膨らみの少ない位置であって、駆動手段が作動しないときにバルブ膜が第1の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとるように製造が実行される、請求項14に記載の方法。   The first position is a swollen position, the second position is a position that is less swollen, and the valve membrane is manufactured so as to take a pre-swollen shape at the first swollen position when the driving means does not operate. The method of claim 14, wherein: 屈曲トランスデューサの製造の後、マイクロ・バルブにおいて、前記駆動手段が前記駆動手段と膜との間の接合面に対して前記駆動手段の向きに屈曲することができないように駆動手段(210)が配置され、前記駆動手段がその方向に曲がるようにプレストレスが与えられるように前記駆動手段の接着が実行される、請求項14に記載の方法。   After the manufacture of the bending transducer, the driving means (210) is arranged in the micro-valve so that the driving means cannot be bent in the direction of the driving means with respect to the joint surface between the driving means and the membrane. 15. The method of claim 14, wherein bonding of the drive means is performed such that the drive means is prestressed to bend in that direction. マイクロ・ポンプであって、
膜(110)および駆動手段(210)を含む屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、マイクロ・ポンプのポンプ膜(110)を形成し、前記駆動手段(210)によって第1の膨らんだ位置および第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、
ポンプ本体と前記ポンプ膜との間にポンプチャンバを規定するために前記ポンプ膜(110)に接合されるポンプ本体(120)を含み、
前記駆動手段が動作しないときに、前記ポンプ膜(110)が第1の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとり、前記屈曲トランスデューサが請求項1ないし請求項12のいずれかの方法によって製造される、マイクロ・ポンプ。
A micro pump,
A flexure transducer comprising a membrane (110) and drive means (210), said membrane forming a pump membrane (110) of a micropump, wherein said drive means (210) has a first inflated position and a second Configured to move between positions with less bulge,
A pump body (120) joined to the pump membrane (110) to define a pump chamber between the pump body and the pump membrane;
13. The bending transducer is manufactured by the method of any of claims 1 to 12, wherein when the drive means is inoperative, the pump membrane (110) assumes a pre-bulge shape at a first bulge position. , Micro pump.
前記マイクロ・ポンプは、両方がポンプチャンバに流体接続し、ポンプ本体において前記ポンプ膜に対向するように配置された入口チェックバルブおよび出口チェックバルブを含む、請求項17に記載のマイクロ・ポンプ。   18. The micro pump of claim 17, wherein the micro pump includes an inlet check valve and an outlet check valve that are both fluidly connected to the pump chamber and disposed in the pump body so as to face the pump membrane. 前記ポンプ本体(120)は、基本的に平らであるポンプ膜(110)に対向して配置される第1の表面を含み、前記ポンプ膜は第2の位置において基本的に平面形状を有する、請求項17または請求項18に記載のマイクロ・ポンプ。   The pump body (120) includes a first surface disposed opposite a pump membrane (110) that is essentially flat, the pump membrane having a basically planar shape in a second position; The micro pump according to claim 17 or claim 18. マイクロ・バルブであって、
膜(110)および駆動手段(210)を含む屈曲トランスデューサを含み、前記膜(110)は、バルブのバルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために前記駆動手段によって第1の位置と第2の位置との間で移動するように構成され、前記屈曲トランスデューサは請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の方法によって製造された、マイクロ・バルブ。
A micro valve,
A flexure transducer comprising a membrane (110) and a drive means (210), said membrane (110) forming a valve membrane of a valve and a first position by said drive means to open and close the micro-valve 13. A micro valve configured to move between a second position and the flexure transducer manufactured by the method of any of claims 1-12.
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